CN113552539B - 一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件 - Google Patents

一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及天线解耦技术领域，具体涉及一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，包括金属过孔，所述金属过孔用于设置在第一天线和第二天线之间的介质基板上；所述第一天线发射射频信号，在第二天线上产生耦合信号，所述金属过孔用于产生谐振信号并通过自由空间路径传播，在第二天线上产生解耦信号，所述耦合信号和所述解耦信号的相位差为180°，并且所述耦合信号和所述解耦信号的幅值相同；所述金属过孔的外径l1满足0.1λ≤l1≤2λ，其中λ为射频信号在自由空间路径上的波长；采用主动式谐振解耦方案，理论上可以实现无穷大隔离度，结构简单，易于加工实现；且天线之间不需要设置很大的隔离距离，有益于减小无线设备的设计尺寸。

Description

一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件
技术领域
本发明涉及天线解耦技术领域，具体涉及一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件。
背景技术
随着智能驾驶时代的到来，汽车雷达被广泛应用于汽车中，成为了智能汽车的“眼睛”。作为雷达的基本部分，其发射天线和接收天线的隔离度决定了汽车雷达的探测精度和准确性。如图1所示，如果雷达的接收天线阵列接收到的能量小于从耦合路径接收到的能量，则耦合信号-由发射天线发出通过耦合路径耦合进接收天线的信号-会成为干扰信号，致使雷达产生误判。
通常毫米波收发天线会被放置在同一块PCB介质基板上，且天线间隔小于2倍波长，这样紧凑的距离会使收发隔离度变差，降低无线传输设备的收发性能。为了提高隔离度，传统方法是增大天线间的距离，但这样会导致设备尺寸需要做的很大，因此出现了一种被动式高阻谐振方案，通过高阻抗实现高隔离度，如图2所示，传统的被动式高阻谐振方案中，用于解耦的EBG金属过孔很细，通常小于0.01倍波长，使金属片、接地过孔和金属地构成四分之一波长的高阻路径，同时，EBG金属过孔需要布设10个以上并且进行周期性的排布，需要占用很大的空间，另外还需要铺设完整的金属地，以使得在周期性排布的EBG结构上产生解耦合电流，同时满足这些条件才起到隔离作用，由于传统的EBG是通过高阻抗实现高隔离度，无法实现真正“开路”，对隔离度的提升有限。因此传统的技术方案无法同时满足小型化和高隔离度的要求，无法应用于体积小、质量轻和抗干扰能力高的毫米波系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术无法同时满足小型化和高隔离度的要求的问题，提供一种提高毫米波雷达收发隔离度的紧凑型主动式谐振电磁解耦构件。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，包括金属过孔，所述金属过孔用于设置在第一天线和第二天线之间的介质基板上；所述第一天线发射射频信号，在第二天线上产生耦合信号，所述金属过孔用于产生谐振信号并通过自由空间路径传播，在第二天线上产生解耦信号，所述耦合信号和所述解耦信号的相位差为180°，并且所述耦合信号和所述解耦信号的幅值相同；所述金属过孔的外径l1满足0.1λ≤l1≤2λ，其中λ为射频信号在自由空间路径上的波长。
进一步的，所述第一天线和第二天线之间的隔离距离l2满足
进一步的，将所述射频信号的工作频率、所述介质基板的介电常数、所述介质基板的厚度、所述金属过孔的外径、所述隔离距离和目标隔离度输入仿真软件HFSS或CST，所述仿真软件HFSS或CST输出优化后的金属过孔的外径。
作为本发明的一种优选方案，所述金属过孔包括第一金属过孔，所述第一金属过孔的外径为3毫米、高度为2毫米。
作为本发明的一种优选方案，所述第一金属过孔数量为5个，以4毫米的圆心距离两两相邻排列成一条直线。
作为本发明的一种优选方案，所述金属过孔还包括第二金属过孔，所述第二金属过孔的外径为2毫米、高度为2毫米。
作为本发明的一种优选方案，所述第一金属过孔数量为2个，圆心距离为6.4毫米；所述第二金属过孔数量为2个，圆心距离为4.4毫米。
作为本发明的一种优选方案，所述第一天线和第二天线之间的隔离距离为15.9毫米。
作为本发明的一种优选方案，所述第一金属过孔和所述第二金属过孔为通孔。
基于相同的发明构思，提出了一种毫米波雷达，包括第一天线和第二天线，所述第一天线用于发射第一雷达信号及接收第一回波信号，第二天线用于发射第二雷达信号及接收第二回波信号，其特征在于，还包括如上述任一项所述的一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，用于在第一天线和第二天线之间进行谐振解耦。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
通过金属过孔谐振在接收天线端产生的解耦信号和发射天线在接收天线端产生的耦合信号形成180度相位差，使得耦合能量与解耦合能量在接收天线端相互抵消，进而实现收发天线之间的高隔离度，由于实现原理是通过自谐振能量抵消，理论上可以实现无穷大隔离度；仅需要几个不同粗细的金属过孔在收发天线之间排列即可，不需要周期性排列，不需要使用现有技术EBG方案中的金属片，不需要铺设完整的金属地，结构简单，易于加工实现；且天线之间不需要设置很大的隔离距离，对于提高收发天线隔离度，减小雷达整体尺寸，降低雷达模块成本具有很大的意义。
附图说明
图1为雷达系统收发天线耦合干扰示意图；
图2为现有技术被动式高阻谐振方案的EBG结构示意图；
图3为实施例一所述一种提高毫米波雷达收发隔离度的紧凑型主动式谐振电磁解耦构件示意图；
图4为本发明谐振电磁解耦构件中金属过孔的侧视图；
图5为实施例一所述的具有优选参数的一种提高毫米波雷达收发隔离度的紧凑型主动式谐振电磁解耦构件；
图6为利用实施例一具有优选参数的一种提高毫米波雷达收发隔离度的紧凑型主动式谐振电磁解耦构件的隔离度测试结果；
图7为实施例二所述的一种提高毫米波雷达收发隔离度的紧凑型主动式谐振电磁解耦构件；
图8为利用实施例二的一种提高毫米波雷达收发隔离度的紧凑型主动式谐振电磁解耦构件的隔离度测试结果；
图9为实施例三所述的一种提高毫米波雷达收发隔离度的紧凑型主动式谐振电磁解耦构件；
图10为实施例四所述的一种提高毫米波雷达收发隔离度的紧凑型主动式谐振电磁解耦构件；
图11为利用实施例四的一种提高毫米波雷达收发隔离度的紧凑型主动式谐振电磁解耦构件的隔离度测试结果。
图中标记：1-发射天线阵列，2-接收天线阵列，3-谐振解耦构件，4-金属过孔，5-介质基板，6-金属焊盘，7-金属过孔侧壁，8-介质。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本发明实现提高毫米波雷达收发隔离度的原理，与现有技术被动式高阻谐振方案的不同之处在于，如图2所示，被动式高阻谐振方案中用于解耦的EBG单元，由金属片、金属过孔孔壁、金属地构成，其中，金属片覆盖于金属过孔上端面，并且金属过孔很细，通常小于0.01倍波长，金属片、接地过孔和金属地构成等于四分之一波长的高阻路径，使谐振信号与耦合信号产生180度的相位差，EBG金属过孔需要布设10个以上并且进行周期性的排布，以使得在周期性排布的EBG结构上产生足够大的解耦合电流，从而使谐振信号与耦合信号部分抵消，达到解耦合作用。可以看出，现有技术被动式高阻谐振方案在生产制作过程中必须要使用金属地，金属片、接地过孔和过孔间距的参数需要严格控制，周期性排布多个金属过孔需要占用很大的空间。
而本发明实现提高毫米波雷达收发隔离度的原理为，采用空间传播的谐振解耦的方式，如图3所示，一方面，发射天线阵列1的射频信号通过正常的自由空间传播耦合到接收天线阵列2，该耦合信号产生的能量为能量a；另一方面，发射天线阵列1的射频信号入射到同样位于介质基板上的谐振解耦构件3上时，谐振解耦构件3由于存在金属过孔4，如图4所示，如果金属过孔4的结构采用通孔，中间不进行填充，或填充树脂等介质8，上下两端面加金属焊盘6，金属过孔4由于射频信号的入射产生感应电流，金属焊盘6、金属过孔侧壁连接构成的通路实现等效谐振回路，当入射射频信号的频率接近或者等于等效谐振回路的频率时，金属过孔4产生与原入射信号具有一定相位差的谐振信号，谐振信号再通过自由空间传播耦合到接收天线阵列2的能量为能量b。结合PCB介质基板的介电常数，通过调整金属过孔的高度H、外径D、金属过孔的数量和排列方式，控制能量a与能量b幅度相同，且相位差为180度，使得在接收天线阵列2的端口处能量a与能量b相互抵消，谐振信号在本发明中作为解耦信号，从而实现收发天线的高隔离度。
通常，对于无限细的金属过孔，即金属过孔外径D无限接近于0，金属过孔的高度H(即PCB介质基板的厚度)不小于半波长的长度才能形成180度的相位差，而金属过孔的外径D变大，会使得产生谐振需要设置的过孔高度H变短。不同的频率下电磁波的波长是不一样的。对于宽带应用，为了能在不同频率下实现180度相位差，需要不同粗细的金属过孔。
本发明中，发射天线阵列1的射频信号通过正常的自由空间传播耦合到接收天线阵列2，以及金属过孔4产生的谐振信号通过自由空间传播耦合到接收天线阵列2，所述的自由空间传播指的是，在理想的、均匀的、各向同性的介质中，电波传播不发生反射、折射、绕射、散射以及吸收现象，只存在由于电磁波能量在传输过程中扩散而引起的传播损耗；而现有技术被动式高阻谐振方案中，通过微带线或者是金属地将2个天线连通构成回路，这种通过导线传播的方式则不属于均匀的、各向同性的介质中传播，而是有确定的单一传播路径。
本实施例提供一种使用上述谐振解耦的提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，如图5所示，第一天线为发射天线阵列1，发射天线阵列1以24GHz的工作频率发射射频信号，第二天线为接收天线阵列2，发射天线阵列1与接收天线阵列2在自由空间路径上产生耦合信号，耦合信号的能量为能量a；
谐振解耦构件3设置在发射天线阵列1和接收天线阵列2之间的介质基板上，谐振解耦构件3上设置金属过孔4，所述谐振解耦构件3发生谐振，通过自由空间传播耦合到接收天线阵列2产生解耦信号，所述耦合信号和所述解耦信号的相位差为180°，幅值相同；金属过孔的外径D设置为满足0.1λ≤D≤2λ，其中λ为射频信号在自由空间路径上的波长，波长通过光速除以频率得到，频率根据具体应用来确定。
根据弗里斯公式，电磁波在空间中的衰减满足距离平方的导数，因此，两个天线之间的距离越远，相互之间的耦合干扰越小，因此距离越小，实现高隔离度越难。本发明中发射天线阵列1和接收天线阵列2之间的隔离距离设置为大于或等于
金属过孔排列成的谐振解耦构件3的形状可以为长方形、正方形、圆形或其他形状，本实施例为了举例，将金属过孔数量设置为5个，由于24GHz时波长为12.5毫米，金属过孔的外径D初步设置为21毫米，金属过孔之间的圆心间距初步设置为25毫米，5个金属过孔基本排列成为直线；PCB介质基板的厚度为2毫米，亦即金属过孔的高度H，介电常数为2.65，发射天线阵列1和接收天线阵列2之间隔离距离设置为15.9mm，且发射天线阵列1和接收天线阵列2之间不做电气连接，谐振解耦构件3不包含铺地层；金属过孔采用通孔；
由于在某种应用场合中，工作频率是一定的，PCB介质基板的介电常数和厚度是一定的，在天线位置和金属过孔的排列方式初步确定好以后，将介电常数、PCB介质基板的厚度、天线位置作为固定的参数输入仿真软件；金属过孔的外径D、两两相隔的圆心距离，即金属过孔的排列方式，按照上述初步设置的值设置好以后输入仿真软件，同时，还设置金属过孔的外径D的可调范围、两两相隔的圆心距离的可调范围，以及输入期望达到的目标隔离度；上述输入项输入仿真软件后，使用仿真软件的优化功能，得到一组接近目标隔离度的优化参数，优化参数中包括优化后的金属过孔的外径D和两两相隔的圆心距离。仿真软件按照优化算法可能会微调过孔位置。
本实施例中使用仿真软件HFSS或CST，优化后的金属过孔的外径D为3毫米，两两相隔的圆心距离为4毫米，5个金属过孔仍然按照直线排列。
使用本实施例的一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件进行隔离度测试，所得隔离度测试结果如图6所示，与不增加本发明的谐振电磁解耦构件时的初始测试结果相比，使用本发明的谐振电磁解耦构件最终实现了40dB的隔离度效果，提升超过15dB。
在更通用的仿真过程中，使用仿真软件寻找达到最佳隔离度的参数，步骤包括：
S1，在发射天线阵列1和接收天线阵列2之间画出一排具有相同尺寸的金属过孔，其中，按照金属过孔外径满足孔半径和孔深之和等于工作频段最低频率波长的条件，设置金属过孔的外径D初值；两两相隔的圆心距离初值满足金属过孔外径D与0.1倍工作频段最高频率波长之和；
S2，将工作频率(或波长)、介电常数、PCB介质基板的厚度、天线设计的位置和规格参数作为固定的参数输入仿真软件；金属过孔的外径D、两两相隔的圆心距离，即金属过孔的排列方式，按照S1中初步设置的值设置好以后输入仿真软件，同时，还设置金属过孔的外径D的可调范围、两两相隔的圆心距离的可调范围，以及输入期望达到的目标隔离度；
S3，上述输入项输入仿真软件后，使用仿真软件的优化功能，得到一组接近目标隔离度的优化参数，优化参数中包括优化后的金属过孔的外径D和两两相隔的圆心距离。仿真软件按照优化算法可以微调过孔位置。
S4，如果使用步骤S3达不到目标隔离度，则加入外径不同的第二种金属过孔，重新执行步骤S1～S4。
本发明通过金属过孔谐振在接收天线端产生的解耦信号和发射天线在接收天线端产生的耦合信号形成180度相位差，使得耦合能量与解耦合能量在接收天线端相互抵消，进而实现收发天线之间的高隔离度，由于实现原理是通过自谐振能量抵消，理论上可以实现无穷大隔离度。
实施例2
如图7所示，本实施例工作在79GHz频段，PCB介质基板的厚度为0.508毫米，介电常数为3.66，发射天线阵列1和接收天线阵列2铺设金属地，发射天线阵列1和接收天线阵列2之间的间距为7毫米，谐振解耦构件3未铺设金属地，谐振解耦构件3包括第一金属过孔和第二金属过孔，第一金属过孔包括两组，每组数量为5个、外径D1为0.6毫米、高度为0.508毫米且以1.05毫米的圆心距离(L1)两两间隔排列成直线，其中一组靠近发射天线阵列1且与发射天线阵列1的边界平行，另一组靠近接收天线阵列2且与接收天线阵列2的边界平行；第二金属过孔数量为4个、外径D2为1毫米、高度为0.508毫米且以1.45毫米的圆心距离(L2)两两间隔排列成直线，且位于第一金属过孔的两组过孔之间；其中，排列在端点的第二金属过孔，与其最接近的第一金属过孔，在发射天线阵列1和接收天线阵列2的中垂线方向上的距离L4为0.95毫米，在沿发射天线阵列1到接收天线阵列2方向上的距离L3为1.25毫米。
金属过孔采用通孔，即过孔是空心的，也可以采用树脂塞孔两端加焊盘的方式，该方式将过孔的中间采用介质填满，同时，在过孔的两端加上金属焊盘，这样金属过孔从外面看就是全金属封闭的孔。如图8所示，与不增加本发明的谐振电磁解耦构件时的初始测试结果相比，采用本实施例的技术方案可以在4GHz带宽内实现30dB的收发隔离度提升。
在未使用本发明谐振电磁解耦原理的EBG结构中，由于利用了传输线原理的开路条件，需要有电流返回路径，所以一定要有金属地，并且两个天线之间要有电气连接；本发明由于解耦原理采用的是自由空间传播产生电磁谐振的原理，因此第一天线和第二天线之间不需要电气连接，不一定要有金属地，如本实施例与实施例一的实施方式，仅需要几个不同粗细的金属过孔在收发天线之间排列即可，不需要使用现有技术EBG方案中的金属片，不需要铺设完整的金属地，不需要周期性排列，因此天线之间不需要设置很大的隔离距离，结构简单，易于加工实现；对于提高收发天线隔离度，减小雷达整体尺寸，降低雷达模块成本具有很大的意义。
实施例3
本实施例各项参数与实施例2相同，如图9所示，结构差异仅在于，谐振解耦构件3铺设金属地，并且与发射天线阵列1和接收天线阵列2的金属地属于同一金属平面。
实施例4
如图10所示，本实施例工作在24GHz频段，PCB介质基板的厚度为2毫米，介电常数为2.65，发射天线阵列1和接收天线阵列2铺设金属地，发射天线阵列1和接收天线阵列2之间的间距为15.9毫米，谐振解耦构件位于发射天线阵列1和接收天线阵列2之间，谐振解耦构件3未铺设金属地，谐振解耦构件包括第一金属过孔，外径为3毫米、高度为2毫米，还包括第二金属过孔，外径为2毫米、高度为2毫米，所述第一金属过孔数量为2个，圆心距离为6.4毫米；所述第二金属过孔数量为2个，圆心距离为4.4毫米；
金属过孔采用通孔，即过孔是空心的，也可以采用树脂塞孔两端加焊盘的方式，该方式将过孔的中间采用介质填满，同时，在过孔的两端加上金属焊盘，这样金属过孔从外面看就是全金属封闭的孔。如图8所示，采用本实施例的技术方案最终实现了37dB的隔离度效果，与未采用谐振解耦的方案对比隔离度提升超过12dB。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，其特征在于，包括金属过孔，所述金属过孔用于设置在第一天线和第二天线之间的介质基板上；所述第一天线发射射频信号，在第二天线上产生耦合信号，所述金属过孔用于产生谐振信号并通过自由空间路径传播，在第二天线上产生解耦信号，所述耦合信号和所述解耦信号的相位差为180°，并且所述耦合信号和所述解耦信号的幅值相同；所述金属过孔的外径l1满足，其中为射频信号在自由空间路径上的波长；
所述金属过孔采用通孔，或者采用将所述金属过孔的中间采用介质填满，同时在所述金属过孔的两端加上金属焊盘，该方式下，所述金属过孔从外面看是全金属封闭的孔；
所述金属过孔包括第一金属过孔和第二金属过孔，第一金属过孔包括两组，每组两两间隔排列成直线，其中一组靠近第一天线的发射天线阵列1且与发射天线阵列1的边界平行，另一组靠近第二天线的接收天线阵列2且与接收天线阵列2的边界平行；两两间隔排列成直线，且位于第一金属过孔的两组过孔之间；其中，排列在端点的第二金属过孔，与其最接近的第一金属过孔在发射天线阵列1和接收天线阵列2的中垂线方向上存在距离L4，排列在端点的第二金属过孔，与其最接近的第一金属过孔在沿发射天线阵列1到接收天线阵列2方向上的距离为L3，L3是1.25毫米，L4是0.95毫米。
2.如权利要求1所述的一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，其特征在于，所述第一天线和第二天线之间的隔离距离l2满足。
3.如权利要求2所述的一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，其特征在于，将所述射频信号的工作频率、所述介质基板的介电常数、所述介质基板的厚度、所述金属过孔的外径、所述隔离距离和目标隔离度输入仿真软件HFSS或CST，所述仿真软件HFSS或CST输出优化后的金属过孔的外径。
4.如权利要求1所述的一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，其特征在于，所述第一金属过孔数量为2个，圆心距离为6.4毫米；所述第二金属过孔数量为2个，圆心距离为4.4毫米。
5.如权利要求1所述的一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，其特征在于，所述第一天线和第二天线之间的隔离距离为15.9毫米。
6.一种毫米波雷达，包括第一天线和第二天线，所述第一天线用于发射第一雷达信号及接收第一回波信号，第二天线用于发射第二雷达信号及接收第二回波信号，其特征在于，还包括如权利要求1~5任一项所述的一种提高毫米波雷达收发隔离度的谐振电磁解耦构件，用于在第一天线和第二天线之间进行谐振解耦。
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