CN113328248B - 一种毫米波雷达斜极化辐射mimo天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，利用带有方形环的阻抗变换巴伦，宽频范围内反射系数可以自相抵消，实现宽频匹配，提升天线容差性，使天线容易加工；采用金属化孔，实现天线单元的侧向电磁隔离，有利于MIMO多通道信道隔离。天线斜45°极化辐射，垂直与水平极化方向回波信号都可以接收。在本申请提出的天线单元结构在保持宽带、低损耗天线性能的同时，具有小型化、集成化的紧凑结构，天线的模块化设计方法便于大规模组阵和通用化统型，适用于通信应用平台下，低成本MIMO阵列的应用需求。天线单元的设计基于PCB工艺，有利于实现天线单元与集成芯片同层设计加工，损耗低、集成精度高，且重复性好，适合大批量生产。

Description

一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其指一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元。
背景技术
如何在恶劣的信道环境和有限的带宽内提高传输速率和质量一直是无线通信的研究重点。MIMO(多输入/多输出)技术，即在无线通信系统的发射端和接收端使用多个天线或者阵列进行信息的传输，已经成为无线信道上提高数据传输率和质量的最有效途径。天线作为无线通信系统的前端，在有限空间内对其结构、尺寸、布局方式和极化特性等都提出了更为严格的要求。
微带天线具有尺寸小、重量轻、剖面低等优点，广泛应用于雷达和通信等领域。2015年，专利CN201510329954.1提出了一种缝隙耦合微带天线。这种天线通过接地板隔离了辐射层和馈电层,消除了相互之间的影响,并克服了传统馈电方式带来的电感效应和馈电网络的寄生辐射等缺点,采用空气介质作支撑材料有效地展宽了微带天线带宽,但是对于天线阻抗匹配精度的要求太高，造成天线加工难度极大，由于辐射贴片与耦合缝隙之间存在空气层，存在侧向电磁泄漏问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于毫米波雷达的天线单元，通过结构上的改进提升天线容差性，使天线容易加工，同时在保持宽带、低损耗天线性能的同时，使得天线单元具有小型化、集成化的紧凑结构。
本发明提供了一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，包括天线本体；所述天线本体包括：顶层介质基片、中间层介质基片以及底层介质基片；所述顶层介质基片上方设置有第一金属接地板，所述第一金属接地板上并排开设有多个方形槽；所述中间层介质基片的上表面设置有多个位于方形槽正下方的正方形的金属贴片；所述底层介质基片上方设置有第二金属接地板，所述第二金属接地板上开设有多个与所述方形槽对应的矩形缝隙；所述矩形缝隙与金属贴片对角线平行设置；所述方形槽的外周设有多个均匀分布并贯穿天线本体的金属化孔，多个所述金属化孔围成带缺角的方形框体；所述天线本体还包括阻抗变换巴伦，所述阻抗变换巴伦位于方形框体内、垂直于矩形缝隙长边设置在底层介质基片下表面，所述阻抗变换巴伦的尾部从方形框体的缺角伸出。
进一步地，所述天线本体为PCB材料单元。
进一步地，所述天线本体采用E波段PCB材料单元，所述天线单元适用于E波段及E波段以下的电磁波。
进一步地，所述阻抗变换巴伦与天线本体焊接。
进一步地，所述阻抗变换巴伦包括方形环和渐变微带线。
进一步地，所述顶层介质基片和中间层介质基片设置有第一半固化片；所述中间层介质基片和底层介质基片之间设置有第二半固化片。
进一步地，所述第一金属接地板上并排开设有4个方形槽。
进一步地，所述天线单元作为基本单元，可在垂直和水平方向进行拓展，两个以上的所述天线单元组成二维天线阵。
进一步地，所述天线本体尺寸小于1个波长。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：本发明利用带有方形环的阻抗变换巴伦，宽频范围内反射系数可以自相抵消，实现宽频匹配，提升天线容差性，使天线容易加工；采用金属化孔，实现天线单元的侧向电磁隔离，有利于MIMO多通道信道隔离；天线斜45°极化辐射，垂直与水平极化方向回波信号都可以接收；本申请提出的天线单元结构在保持宽带、低损耗天线性能的同时，具有小型化、集成化的紧凑结构，天线的模块化设计方法便于大规模组阵和通用化统型，适用于通信应用平台下，低成本MIMO阵列的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例斜极化辐射MIMO天线单元的四元阵俯视图；
图2为图1天线单元的侧视图；
图3为图1天线单元的分层示意图；
图4为图1天线单元的阻抗变换巴伦结构示意图；
图5为图1天线单元的垂直极化分量辐射方向图；
图6为图1天线单元的水平极化分量辐射方向图；
图7为图1天线单元的中间位置单元45°极化辐射方向图。
具体实施方式
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，专用于毫米波雷达，为了具体说明本申请天线单元的结构特点和仿真情况，本实施例以工作在E波段的天线单元结构为例进行说明。
天线单元包括天线本体为PCB材料单元。天线本体尺寸小于1个波长，本实例中优选2.04mm×2.04mm。当天线本体选择E波段PCB材料单元时，适用于E波段及E波段以下的电磁波。
如图1-4所示，天线本体包括：顶层介质基片1、中间层介质基片2以及底层介质基片3。本实施例中，顶层介质基片1、中间层介质基片2以及底层介质基片3均选取RogersRO3003,介电常数3，厚度0.127mm。
顶层介质基片1上方设置有第一金属接地板11，第一金属接地板11上并排开设有4个方形槽12。方形槽12为天线单元辐射口径。在本实施例中天线的工作频段覆盖E波段，方形槽12尺寸优选为1.8mm×1.8mm，每两个方形槽12间间距优选为2.48mm，近似0.64自由空间波长。
中间层介质基片2的上表面设置有4个位于方形槽12正下方的正方形的金属贴片21。底层介质基片3上方设置有第二金属接地板31，第二金属接地板31上开设有多个与方形槽12对应的矩形缝隙32；矩形缝隙32与金属贴片21对角线平行，即斜45°角倾斜设置。倾斜角度为45°，可以获得垂直极化与水平极化相等的极化分量。顶层介质基片1安装于最上方，可以对金属贴片21进行保护，有助于金属贴片21的小型化。本实施例中，金属贴片21选取边长0.903mm的正方形贴片，矩形缝隙32的尺寸优选为长1.4mm宽0.11mm。金属贴片21与矩形缝隙32之间采用的耦合形式有利于展宽天线带宽。
方形槽12的外周设有多个均匀分布的金属化孔5，金属化孔5围成带缺角的方形框体。金属化孔5贯穿天线本体，穿过每一层介质基片和半固化片，金属化孔5的设置有利于单元间的隔离。本实施例中金属化孔5的孔径优选为0.2mm，相邻金属化孔5之间的间距优选为0.3mm。金属化孔5也位于金属贴片21的四周。
天线本体还包括阻抗变换巴伦33，阻抗变换巴伦33设置在底层介质基片3下表面，倾斜45°并垂直于矩形缝隙32长边中心线方向，阻抗变换巴伦33的尾部从方形框体的缺角伸出。阻抗变换巴伦33包括方形环和渐变微带线，渐变微带线经过1/4微带线匹配段与方形环连接，接口特征阻抗为50欧。本申请采用的方形环馈电方式有利于调整阻抗匹配。阻抗变换巴伦33的渐变微带线与天线本体即PCB材料单元的芯片引脚直接焊接，具有方便加工、易集成的特点。本实施例中的天线单元的设计基于PCB工艺，有利于实现天线单元与集成芯片同层设计加工，损耗低、集成精度高，且重复性好，适合大批量生产。
顶层介质基片1和中间层介质基片2设置有第一半固化片41；中间层介质基片2和底层介质基片3之间设置有第二半固化片42。本实施例中，第一半固化片41和第二半固化片42均选取FR28,介电常数2.81，厚度0.1mm。
本实施例中的基于E波段斜极化辐射MIMO天线单元可以辐射45°斜极化电场信号，可以同时接收垂直和水平极化来波信号。天线本体作为基本单元，可可在垂直和水平方向进行拓展，两个以上的天线模块可组成二维大型天线阵。
本实例的天线设计在E波段，对天线单元进行全波仿真，得到天线的方向图如图5、图6和图7所示，图5、图6、图7中的实线代表阵轴向方向图，虚线代表垂直阵轴向方向图。通过仿真天线单元在76GHz～80GHz频带内回拨损耗均优于-10dB。阵轴向增益优于0dB波束宽度覆盖±45°。在保证宽扫描角度和增益的前提下，本申请的天线单元结构具有小型化紧凑的体积，可实现MIMO大规模二维组阵的应用需求，还可推广至其他频段及毫米波频段。
本实施例中列举了一个四元阵列，即天线表面开设有4个方形槽的案例，实际应用中可以根据具体应用需求，比如组成10行10列二维阵列等，任意间距的根据MIMO系统设计需要的排布阵列皆可。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，包括天线本体；所述天线本体包括：顶层介质基片、中间层介质基片以及底层介质基片；其特征在于，所述顶层介质基片上方设置有第一金属接地板，所述第一金属接地板上并排开设有多个方形槽；所述中间层介质基片的上表面设置有多个位于方形槽正下方的正方形的金属贴片；所述底层介质基片上方设置有第二金属接地板，所述第二金属接地板上开设有多个与所述方形槽对应的矩形缝隙；所述矩形缝隙与金属贴片对角线平行设置；所述方形槽的外周设有多个均匀分布并贯穿天线本体的金属化孔，多个所述金属化孔围成带缺角的方形框体；所述天线本体还包括阻抗变换巴伦，所述阻抗变换巴伦位于方形框体内、垂直于矩形缝隙长边设置在底层介质基片下表面，所述阻抗变换巴伦的尾部从方形框体的缺角伸出；所述阻抗变换巴伦包括方形环和渐变微带线。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，其特征在于，所述天线本体为PCB材料单元。
3.根据权利要求2所述的一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，其特征在于，所述天线本体采用E波段PCB材料单元，所述天线单元适用于E波段及E波段以下的电磁波。
4.根据权利要求2所述的一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，其特征在于，所述阻抗变换巴伦与PCB材料单元的芯片引脚直接焊接。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，其特征在于，所述顶层介质基片和中间层介质基片设置有第一半固化片；所述中间层介质基片和底层介质基片之间设置有第二半固化片。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，其特征在于，所述第一金属接地板上并排开设有4个方形槽。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，其特征在于，所述天线单元作为基本单元，可在垂直和水平方向进行拓展，两个以上的所述天线单元组成二维天线阵。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种毫米波雷达斜极化辐射MIMO天线单元，其特征在于，所述天线本体尺寸小于1个波长。
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