CN113314824A - 一种阵列天线及毫米波雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及天线技术领域，具体涉及一种阵列天线及毫米波雷达，阵列天线包括：介质基板、天线阵列及合路装置；合路装置上依次设有第一输入端口、输出端口和第二输入端口及隔离端口；天线阵列包括至少两路天线阵列单元，输出端口通过馈电传输线与至少两路天线阵列单元连接，且至少两路天线阵列单元相对于输出端口对称设置；隔离端口与信号隔离单元连接；向第一输入端口及第二输入端口输入幅度相同、相位一致的输入信号时，输入信号经合路装置的通道合并后，通过输出端口输出增益后的输出信号给天线阵列，天线阵列将增益后的输出信号发射出去。通过上述方式，能够在不改变天线口径大小的情况下，显著提升天线增益。

Description

一种阵列天线及毫米波雷达
技术领域
本发明实施例涉及天线技术领域，具体涉及一种阵列天线及毫米波雷达。
背景技术
现有毫米波雷达采用相同的芯片平台，其发射功率恒定，想要雷达的发射天线提高增益，天线口径需要相应增大一倍，雷达的尺寸和重量则会随之提高，这就会影响雷达的尺寸和产品形态，从而造成产品竞争力下降。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种阵列天线及毫米波雷达，以能够在不改变天线口径大小的情况下，显著提升天线增益。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种阵列天线，包括：介质基板、设于所述介质基板上的天线阵列及合路装置；所述合路装置上依次设有第一输入端口、输出端口和第二输入端口及隔离端口；所述天线阵列包括至少两路天线阵列单元，所述输出端口通过馈电传输线与至少两路所述天线阵列单元连接，且至少两路所述天线阵列单元相对于所述输出端口对称设置；所述隔离端口与信号隔离单元连接，用于对所述第一输入端口和所述第二输入端口的输入信号进行隔离；向所述第一输入端口及所述第二输入端口输入幅度相同、相位一致的输入信号时，所述输入信号经所述合路装置的通道合并后，通过所述输出端口输出增益后的输出信号给所述天线阵列，所述天线阵列将增益后的所述输出信号发射出去。
在一种可选的方式中，所述馈电传输线在与每路所述天线阵列单元的连接处均设置有四分之一波长阻抗变换器，通过调节所述四分之一波长阻抗变换器的宽度，使所述天线阵列单元呈切比雪夫分布。
在一种可选的方式中，所述天线阵列在位于所述输出端口的一侧设置有多路所述天线阵列单元，相邻的所述天线阵列单元之间的距离为天线波长的0.5倍。
在一种可选的方式中，每路所述天线阵列单元包括传输线和交叉设置于所述传输线两侧的多个贴片，且一侧所述贴片的宽度由中间至两端逐个减小，使得沿所述天线阵列单元传输线排列所述贴片的电流服从泰勒分布。
在一种可选的方式中，所述信号隔离单元包括贴片天线或隔离电阻。
在一种可选的方式中，所述信号隔离单元的阻抗为50欧姆。
在一种可选的方式中，所述贴片天线与所述天线阵列的极化方向相反设置。
在一种可选的方式中，所述贴片天线上覆盖有吸波材料层。
在一种可选的方式中，所述介质基板的在77GHz频段下的介电常数设置为3.16，所述介质基板的厚度为0.120-0.135mm，所述介质基板的表面铜厚度为17-23μm。
根据本发明实施例的另一个方面，提供一种毫米波雷达，包括如上所述的阵列天线。
本发明实施例提供的阵列天线中，由第一输入端口及第二输入端口输入幅度相同、相位一致的输入信号后，输入信号经合路装置的通道合并后实现增益，增益后的输出信号由输出端口传输至天线阵列，无需改变天线阵列的天线口径，而是通过设置的多路天线阵列单元将输出信号发射出去，从而显著提升阵列天线的增益，并且当阵列天线应用于雷达时，不需要对雷达的尺寸和形态进行调整，可以有效保证产品竞争力。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的阵列天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的阵列天线中天线阵列单元的结构示意图；
图3为采用现有普通天线测得的天线E面/H面的辐射方向图；
图4为采用现有阵列天线测得的天线E面/H面的辐射方向图；
图5为采用本发明实施例提供的阵列天线测得的天线E面/H面的辐射方向图。
具体实施方式中的附图标号如下：
阵列天线100，介质基板110，天线阵列120，天线阵列单元121，传输线1211，贴片1212，合路装置130，第一输入端口131，输出端口132，第二输入端口133，隔离端口134，馈电传输线140，四分之一波长阻抗变换器141，贴片天线150。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种阵列天线，具体请参阅图1，阵列天线100包括：介质基板110、设于介质基板110上的天线阵列120及合路装置130，合路装置130上依次设置有第一输入端口131、输出端口132、第二输入端口133及隔离端口134；天线阵列120包括至少两路天线阵列单元121，图中以四路天线阵列单元121为例，这样可以进一步提升天线阵列120的辐射效率，可以理解，在其他实施例中，也可以是两路或其他数量的天线阵列单元；输出端口132通过馈电传输线140与四路天线阵列单元121连接，且四路天线阵列单元121相对于输出端口132对称设置；隔离端口134与信号隔离单元连接，信号隔离单元例如可以是隔离电阻或其他具有电阻的负载，以对第一输入端口131和第二输入端口133的输入信号进行隔离；向第一输入端口131及第二输入端口133输入幅度相同、相位一致的输入信号时，输入信号经合路装置130的通道合并后，通过输出端口132输出增益后的输出信号给天线阵列120，天线阵列120将增益后的输出信号发射出去。
本发明实施例提供的阵列天线100中，由第一输入端口131及第二输入端口133输入幅度相同、相位一致的输入信号后，输入信号经合路装置130的通道合并后实现增益，增益后的输出信号由输出端口132传输至天线阵列120，无需改变天线阵列120的天线口径，而是通过设置的多路天线阵列单元121将输出信号发射出去，从而显著提升阵列天线100的增益，并且当阵列天线100应用于雷达时，不需要对雷达的尺寸和形态进行调整，可以有效保证产品竞争力。
需要说明的是，上述合路装置可以是合路器或逆用的功分器。
为了提升阵列天线100的抗干扰能力，本发明进一步提出一种实施方式，具体请再次参阅图1，馈电传输线140可以在与每路天线阵列单元121的连接处均设置有四分之一波长阻抗变换器141，从而通过调节各四分之一波长阻抗变换器141的宽度，使天线阵列单元121呈切比雪夫分布，从而降低天线阵列120的副瓣电平，提升天线阵列120的抗干扰能力。
对于天线阵列120的排布，本发明进一步提出一种实施方式，具体请再次参阅图1，天线阵列120在位于输出端口132的一侧可以设置有多路天线阵列单元121，相邻的天线阵列单元121之间的距离d可以为天线波长的0.5倍，通过采用串、并亏点结合的方式对四列天线阵列单元121进行馈电。
为了进一步降低阵列天线H面的副瓣电平值，本发明进一步提出一种关于天线阵列单元121结构的实施方式，具体请参阅图2，每路天线阵列单元121包括传输线1211和交叉设置于传输线1211两侧的多个贴片1212，一侧贴片1212的宽度w由中间至两端逐个减小，使沿传输线1211排列贴片1212的电流服从泰勒分布，从而有效降低天线阵列单元H面的副瓣电平，提升抗干扰能力。
为了满足第一输入端口131和第二输入端口133之间的隔离要求，本发明进一步提出一种实施方式，具体请再次参阅图1，合路装置130的隔离端口134上设置的信号隔离单元可以是贴片天线150，贴片天线150为隔离端口134提供所需特性阻抗，从而实现第一输入端口131与第二输入端口133之间的隔离，贴片天线150与上述天线阵列的极化方向相反设置，以避免贴片天线150对天线阵列造成干扰，并且在隔离端口134上连接贴片天线150可以满足阵列天线在77GHz频段下的端口隔离度要求。可以理解，在另外一些实施例中，也可以在隔离端口134连接隔离电阻实现端口隔离。
进一步地，在一些实施例中，信号隔离单元，例如上述贴片天线或隔离电阻，其阻抗可以为50欧姆，以与大部分合路装置的隔离端口所需特性阻抗匹配。
为了避免贴片天线对电磁信号的干扰，本发明进一步提出一种实施方式，具体地，贴片天线外部可以覆盖有吸波材料层，吸波材料层可以包括电阻型损耗吸波材料、电介质损耗吸波材料、磁损耗吸波材料中的至少一种或几种，通过在贴片天线的外部覆盖吸波材料层，避免贴片天线对周边的电磁信号差生干扰，增加信号传输的稳定性。
为了提升贴片天线的结构稳定性，本发明进一步提出一种实施方式，具体地请再次参阅图1，贴片天线150可以设置于所述介质基板110上，并且与合路装置130可以为一体结构，通过贴片天线150与合路装置130一体生产成型，有效解决了贴片天线150在隔离端口134内连接安装困难的问题，并且使阵列天线整体结构更加稳定可靠。
对于上述介质基板的具体结构和参数，本发明进一步提出一种实施方式，具体地，介质基板在77GHz频段下的介电常数可以设置为3.16，厚度可以设置为0.120-0.135mm，优选为0.127mm，介质基板的表面铜厚度可以为17-23μm，优选为20μm，这样设置可以使阵列天线100具有良好的性能。
为了证明本发明实施例提供的阵列天线对于系统增益的提升效果，本申请发明人分别对现有普通天线、现有阵列天线以及本发明实施例提供的阵列天线进行实验测试，结果如图3-5所示，其中图3中示出了采用现有普通天线时天线E面/H面的辐射方向图，图4中示出了采用现有阵列天线时天线E面/H面的辐射方向图，图5中示出了采用本发明提供的阵列天线时天线E面/H面的辐射方向图。
如图3所示，采用现有普通天线时，天线增益为15.7dB，xoz面3dB波瓣宽度为11.2°，副瓣电平为-17.7dB。
如图4所示，采用现有常规阵列天线时，天线增益为20.8dB，xoz面3dB波瓣宽度为11.3°，副瓣电平为-15.1dB，yoz面3dB波瓣宽度为21°，副瓣电平为-18.8dB。
如图5中所示，采用本发明实施例提供的阵列天线时，天线增益为23.8dB，xoz面3dB波瓣宽度为11.3°，副瓣电平为-15.3dB，yoz面3dB波瓣宽度为21.2°，副瓣电平为-18.8dB。
综上所述，采用本发明实施例提供的阵列天线后，天线口径、E面/H面的辐射方向图不变，增益提升了3dB，同时阵列天线的实际使用辐射面yoz面副瓣电平为-18.8dB＜-18dB，因此阵列天线还具有良好的抗干扰能力。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供一种毫米波雷达，其包括上述阵列天线，设置有上述阵列天线的毫米波雷达的系统增益可提升3dB，并且具有良好的抗干扰能力。
需要注意的是，除非另有说明，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明实施例所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本发明实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
此外，技术术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种阵列天线，其特征在于，包括：介质基板、设于所述介质基板上的天线阵列及合路装置；
所述合路装置上依次设有第一输入端口、输出端口和第二输入端口及隔离端口；
所述天线阵列包括至少两路天线阵列单元，所述输出端口通过馈电传输线与至少两路所述天线阵列单元连接，且至少两路所述天线阵列单元相对于所述输出端口对称设置；
所述隔离端口与信号隔离单元连接，用于对所述第一输入端口和所述第二输入端口的输入信号进行隔离；
向所述第一输入端口及所述第二输入端口输入幅度相同、相位一致的输入信号时，所述输入信号经所述合路装置的通道合并后，通过所述输出端口输出增益后的输出信号给所述天线阵列，所述天线阵列将增益后的所述输出信号发射出去。
2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述馈电传输线在与每路所述天线阵列单元的连接处均设置有四分之一波长阻抗变换器，通过调节所述四分之一波长阻抗变换器的宽度，使所述天线阵列单元呈切比雪夫分布。
3.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述天线阵列在位于所述输出端口的一侧设置有多路所述天线阵列单元，相邻的所述天线阵列单元之间的距离为天线波长的0.5倍。
4.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，每路所述天线阵列单元包括传输线和交叉设置于所述传输线两侧的多个贴片，且一侧所述贴片的宽度由中间至两端逐个减小，使得沿所述天线阵列单元传输线排列所述贴片的电流服从泰勒分布。
5.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述信号隔离单元包括贴片天线或隔离电阻。
6.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于，所述信号隔离单元的阻抗为50欧姆。
7.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于，所述贴片天线与所述天线阵列的极化方向相反设置。
8.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于，所述贴片天线上覆盖有吸波材料层。
9.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述介质基板的在77GHz频段下的介电常数设置为3.16，所述介质基板的厚度为0.120-0.135mm，所述介质基板的表面铜厚度为17-23μm。
10.一种毫米波雷达，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的阵列天线。
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