CN113690594B - 应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线 - Google Patents

应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线，包括上层基板、中层基板、底层基板和金属地板，中层基板位于上层基板和底层基板之间，金属地板位于上层基板和中层基板之间；其中，上层基板上设置辐射结构，辐射结构包括设置在上层基板上的“拓扑型”结构金属贴片和开口谐振腔；底层基板上设置有微带线，金属地板上开设有“十字型”耦合缝隙，通过微带线和“十字型”耦合缝隙给辐射结构进行缝隙耦合馈电激励。可以使得天线口径场分布更加均匀，从而提高天线的增益和效率，并且在较宽的带宽内实现较好的增益平坦度及较低的副瓣电平。

Description

应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线
技术领域
本发明属于天线领域，尤其涉及一种应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线。
背景技术
近年来，应用多普勒雷达进行非接触式人体生命体征监测引起了广泛关注。基于多普勒雷达的人体生命体征监测对于医疗监护、火灾和地震等灾后救援、家居健康监测具有重要意义。基于多普勒雷达理论，雷达通过天线将电磁波辐射出去，在传播过程中遇到目标物以后，目标物对电磁波产生反射、散射，接着天线接收到雷达回波，再通过环形器、低噪声放大器、滤波器等将回波信号提取出来。工作在ISM频段附近的多普勒雷达系统已被广泛应用于非接触式生命体征检测。检测原理是提取反射雷达的相移信号，由胸壁运动监测心跳和呼吸。对于相同的目标位移，较短波长的毫米波(mm-wave)雷达导致基带输出相对较大的相移，增加了对小目标运动的敏感性。因此，毫米波多普勒雷达在物体距离检测中可以提供毫米级别的精度，成为人类生物信号的理想传感技术。天线作为多普勒雷达的关键组成部分,其性能将会影响雷达的可靠性。因此，毫米波多普勒雷达要求天线具有小型化、宽频带、高增益、低副瓣等特性。目前,有部分学者为多普勒雷达设计了一些专用天线，但相关的文献并不多。Y.Wang等在《Micro-Doppler Signatures for Intelligent Human GaitRecognition Using a UWB Impulse Radar[C]//2011IEEE International Symposium onAntennas and Propagation(APSURSI),2011,2103-2106》中提出了一款维瓦尔第(Vivaldi)阵列天线，用于多普勒雷达进行智能的人类步态特征识别，但该天线的面积比较大，不利于多普勒雷达的集成。随着天线尺寸随着雷达频率的增加而缩小，Kao T等在《Aflip-chip-packaged and fully integrated 60GHz CMOS micro-radar sensor forheartbeat and mechanical vibration detections[C]//Radio Frequency IntegratedCircuits Symposium.IEEE,2012》提出了一个带有印刷电路板(PCB)的60GHz CMOS微型雷达贴片天线，实现了低成本、完全集成的生命体征传感器。平面微带贴片天线低剖面的特性适用于许多便携式应用，例如平板电脑和智能手机。对于典型的边缘馈电贴片天线，单个贴片的增益和带宽都无法很好地满足毫米波多普勒雷达的需求。目前，大多数研究通过对微带贴片天线进行组阵，从而实现较高的增益及覆盖更宽的带宽。但这需要复杂的馈电网络，不利于芯片封装。(删除2017年，B.K.Kim等利用微多普勒效应雷达进行小型无人机偏振测定的实验分析，)2017年，B.K.Kim等在《Experimental Analysis of Small DronePolarimetry Based on Micro-Doppler Signature[J].IEEE Geoscience and RemoteSensing Letters,2017,14:1670-1674.》利用微多普勒效应雷达进行小型无人机偏振测定的实验分析，使用了经典的波纹喇叭天线，虽然增益较高，但该天线的体积比较大，不利于多普勒雷达的集成。
综上，在现有的方案中，大多数应用于多普勒雷达的天线都存在尺寸较大，带宽较窄，增益较低且定向辐射特性较差等诸多问题，无法满足毫米波多普勒雷达等领域应用的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性能良好的应用于多普勒雷达的毫米波高增益宽带天线。为了解决现有技术中存在的单天线增益较低且定向辐射特性较差、阵列馈电网络复杂、高增益天线剖面高等诸多问题，本发明提供一种应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线，通过在电流反向的地方放置屏蔽贴片，使得整个天线的口径场分布更加均匀，从而提高天线的增益和效率，并实现较好的增益平坦度及较低的副瓣。与传统的单个贴片天线相比，实现了较高的增益和更宽的带宽，且避免了微带贴片阵列天线带来的复杂的馈电网络，通过单天线来实现阵列的性能，有利于芯片的封装。
为了实现本发明目的，本发明提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线，包括上层基板、中层基板、底层基板和金属地板，
中层基板位于上层基板和底层基板之间，金属地板位于上层基板和中层基板之间；其中，
上层基板上设置辐射结构，辐射结构包括设置在上层基板上的“拓扑型”结构金属贴片和开口谐振腔；其中，“拓扑型”结构金属贴片是由多个不同位置的矩形贴片拼合而成，每个贴片均设置在行波传播过程中出现的电流反向处。
底层基板上设置有微带线，金属地板上开设有“十字型”耦合缝隙，通过微带线和“十字型”耦合缝隙给辐射结构进行缝隙耦合馈电激励。
进一步地，上层基板设置有与金属地板相连的多个金属化过孔，通过多个所述金属化过孔和“拓扑型”结构金属贴片共同形成所述开口谐振腔。
进一步地，开口谐振腔采用在中心频率处的四分之一波导波长(1/4λg)的高度的腔,这确保了最高的口径电场幅值,其中λg是波导波长。
进一步地，开口谐振腔的边缘周围的电场有助于辐射,使得所述天线的实际口径大于其物理口径的尺寸,实现了小型化的同时进一步提高了天线增益。
进一步地，“拓扑型”结构金属贴片上开设有呈方形的开口槽。
进一步地，开口槽开设在“拓扑型”结构金属贴片的中心处。
进一步地，开口槽的中心和“十字型”耦合缝隙的中心位于同一竖直线上。
进一步地，上层基板和底层基板之间通过中层基板黏合。
进一步地，“十字型”耦合缝隙开设在金属地板的中心处。
进一步地，微带线印制在底层基板上。微带线通过调整宽度进行了阻抗变换。
进一步地，天线的的整体尺寸为2λ0*2λ0*0.1924λ0。其中λ0是指在30GHz下的自由空间中的波长,即10mm。可以看到天线在E面和H面的尺寸相同。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
1、高增益和高效率。由于电磁波沿线传播的时候相隔1/2波长处会造成电流反向，从而降低天线的增益及效率。本发明通过在原有的口径面上电流反向的区域设置“拓扑型”结构金属贴片来屏蔽反向电流，使得电磁波沿线传播的电流都保证同相，从而辐射口径上形成一个更均匀的口径场，由此来提高天线的增益及效率。最终实现了在整个频带内增益可达13dBi以及最高增益可达14dBi的增益，且在整个频带内的天线效率都大于89％。
2、宽带性。与传统的平面口径天线相比，本发明通过采用微带缝隙耦合馈电，在金属地板上开设“十字型”缝隙，保证了耦合到“拓扑型”结构金属贴片的场分布更加均匀，在低剖面的情况下，以15dB反射系数为标准，实现了14.6％的相对带宽。
3、小型化。由于选用的基板是低介电常数的4003(εr＝3.55)，较难实现小型化。本发明通过调整“拓扑型”结构金属贴片中各部分矩形贴片的尺寸及位置，同时在“拓扑型”结构金属贴片上设置开口槽，增加了电流路径，进一步实现了天线的小型化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线的原理图。
图2是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线的结构分解图。
图3是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线的俯视图。
图4是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线的侧视图。
图5是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线的仰视图。
图6是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线的反射系数和频率的关系示意图。
图7是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线的天线实际增益示意图。
图8是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线的天线效率示意图。
图9是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线在28GHz频率时的在E面和H面上的辐射方向图。
图10是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线在29.5GHz频率时的在E面和H面上的辐射方向图。
图11是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线在29.5GHz时的E面的交叉极化辐射方向图。
图12是本发明实施例提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线在29.5GHz时的H面的交叉极化辐射方向图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
为了满足毫米波多普勒雷达对天线增益、效率、带宽以及低副瓣等诸多需求，天线的辐射结构采用平面口径天线结构，平面口径天线具有较高的增益和较宽的带宽，且同时满足了天线对低剖面的应用需求。
平面口径天线利用介质基板上传输的定向表面行波实现宽带、高增益和高效率的辐射，且基于平面电路工艺实现，非常适合毫米波应用。同时，平面口径天线避免了传统高增益天线复杂的馈电网络，结构更加简单。
平面口径天线实现高增益的关键因素主要有两点：一是较大的物理口径，二是较高的口径效率，在口径表面上实现均匀分布的电磁场。因此，提高平面口径天线增益的方法很明显，即扩大天线物理口径大小和在口径面上产生均匀的口径场。然而，在扩大物理口径的同时难以保持高的口径效率，这是由于口径表面的电磁场均匀性被破坏。如果简单地增加开口腔的尺寸来增大天线物理口径，则沿行波传播的方向，每间隔半个波长电流反向，则会降低天线的口径效率。
针对上述传统平面口径天线沿行波方向传播过程中出现电流反向造成的增益以及效率下降的问题，本发明提出了一种针对平面口径天线产生均匀分布辐射口径场的方法。如图1所示，通过利用介质板上定向传输的表面行波沿一个维度展开天线物理口径，由于口径场分布按波长尺度将会呈现周期变化，因此根据口径场分布情况，在具有反向电流的口径上放置一系列导体屏蔽贴片，来实现对口径分布电场的调控，保证了更均匀的口径场，从而实现宽带、高增益、高效率、低副瓣的平面口径天线。
本发明提供的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线的结构如图2至图5所示。天线为三层PCB结构，包括上层基板1、底层基板7以及位于上层基板1和底层基板7之间的中层基板6，在上层基板1和中层基板6之间还设置有金属地板4。
其中，上层基板1主要用于设计天线的辐射结构，底层基板7为天线的馈电部分，而中层基板6则是粘合层，用于黏合上层基板1和底层基板7。在本发明其中一个实施例中，上层基板1和底层基板7均采用的是罗杰斯4003的板材，而中层基板6的粘合层采用的是罗杰斯4450F粘合剂。整个天线结构的厚度只有1.924mm，实现了低剖面的需求。
本发明中，天线的辐射结构包括“拓扑型”结构金属贴片3，以及多个金属化过孔和“拓扑型”结构金属贴片3共同形成的开口谐振腔2，“拓扑型”结构金属贴片3上开设有开口槽9。在本发明其中一个实施例中，“拓扑型”结构金属贴片3是由各个不同尺寸和位置的矩形贴片拼合而成，其设计原则是在行波传播过程中出现电流反向处放置屏蔽贴片。其中设置的开口槽9呈方形。开口槽9增加了电流的路径，从而减小了“拓扑型”结构金属贴片3的尺寸。
本发明中，“拓扑型”结构金属贴片3将行波能量传播到天线的口径上，开口谐振腔2的边缘周围的电场有助于辐射,使得所述天线的实际口径大于其物理口径的尺寸,实现了小型化的同时进一步提高了天线增益。
本发明中，在金属地板4上开了一个“十字型”耦合缝隙5，开口槽9的中心和“十字型”耦合缝隙5的中心位于同一竖直线上。“十字型”耦合缝隙5使得耦合到“拓扑型”结构金属贴片3上的场分布更加均匀。
具体的，在本发明其中一个实施例中，开口槽9开设在在“拓扑型”结构金属贴片3的中心处，“十字型”耦合缝隙5开设在金属地板4的中心处。开在中心处的目的除了保证中心馈电之外，也为了实现天线辐射方向图的对称性。
本发明中，辐射部分由微带线和“十字型”耦合缝隙5所组成的缝隙耦合馈电结构来进行激励。采用这种馈电方式能够实现较宽的阻抗带宽。微带线8印制在底层基板7的底面。
在本发明其中一个实施例中，天线的整体尺寸为20mm*20mm*1.924mm(2λ0*2λ0*0.1924λ0)。其中λ0是指在30GHz下的自由空间中的波长,即10mm。可以看到，E面和H面的尺寸相同，是为了保证天线整个结构的对称性，从而保证E面和H面辐射方向图的一致性。
本发明所提供的毫米波高增益平面口径天线，能量从微带线8通过“拓扑型”耦合缝隙5馈送到辐射结构，沿着“拓扑型”结构金属贴片3传播。“十字型”耦合缝隙5让辐射的“拓扑型”结构金属贴片3的场分布更加均匀，有利于提高天线的增益并实现了较宽的阻抗带宽。微带线8进行了阻抗变换，实现了更好的阻抗匹配。在开口谐振腔2和“拓扑型”结构金属贴片3之间形成了均匀的边缘场，“拓扑型”结构金属贴片3起到了屏蔽边缘场上的反向电流的作用，使得整个口径面上的电场均匀分布，从而进一步提高了天线的增益和效率，实现了较好的增益平坦度以及降低了副瓣电平(SLL)。设置的开口槽9增加了电流的路径，从而减小了“拓扑型”结构金属贴片3的尺寸。
本发明避免了传统高增益天线的馈电网络，结构更加简单；且在E面和H面内均形成均匀分布的口径场，从而有效降低了天线的副瓣电平(SLL)，改善了天线的辐射特性。
图6-9给出了毫米波高增益平面口径天线的整体性能。
由图6可知，天线的阻抗带宽以15dB反射系数为标准，覆盖了27.2GHz-31.5GHz，其相对带宽超过14.6％。覆盖了目前各国5G毫米波频段多普勒雷达的应用需求。
图7为天线的实际增益，实现了带内阻抗匹配、高且稳定的增益。在整个频带范围内增益保持在13dBi以上，最高增益可达14dBi，并且保证了在整个频带范围内较好的增益平坦度。
图8给出了天线在整个工作频带内的天线效率，可以看到在整个工作频带内的效率都大于89％。
图9、图10给出了天线在28GHz、29.5GHz频率时在E面和H面(电场面和磁场面)上的辐射方向图。可以看到，在两个平面处的辐射方向图基本完全一致。主瓣和副瓣之间相差大于13dB,具有较低的副瓣电平(SLL)。且两个面的半功率波束宽度(或者是3dB波束宽度)大约只有±14°，因此实现了较窄的波束宽度，从而实现更好的波束指向。
图11和图12给出了天线在中心频率29.5GHz时的E面和H面的交叉极化辐射方向图。可以看到，主极化与交叉极化之间相差20dB以上。交叉极化在如所期望的法向方向处是最低的,而在法向的两侧上在较大倾斜角处较大。且两个面具有大于24dB的前后比，实现非常小的背瓣。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线，其特征在于，包括上层基板(1)、中层基板(6)、底层基板(7)和金属地板(4)，
中层基板(6)位于上层基板(1)和底层基板(7)之间，金属地板(4)位于上层基板(1)和中层基板(6)之间；其中，
上层基板(1)上设置辐射结构，辐射结构包括设置在上层基板(1)上的“拓扑型”结构金属贴片(3)和开口谐振腔(2)，其中，“拓扑型”结构金属贴片包括多个不同位置的贴片，每个贴片均设置在行波传播过程中出现的电流反向处；
底层基板(7)上设置有微带线(8)，金属地板(4)上开设有“十字型”耦合缝隙(5)，通过微带线(8)和“十字型”耦合缝隙(5)给辐射结构进行缝隙耦合馈电激励；上层基板(1)设置有与金属地板(4)相连的多个金属化过孔，通过多个所述金属化过孔和“拓扑型”结构金属贴片(3)共同形成所述开口谐振腔(2)；开口谐振腔(2)采用在中心频率处的四分之一波导波长(1/4λg)的高度的腔,其中λg是波导波长；“拓扑型”结构金属贴片(3)上开设有开口槽(9)；开口槽(9)开设在“拓扑型”结构金属贴片(3)的中心处；开口槽(9)的中心和“十字型”耦合缝隙(5)的中心位于同一竖直线上。
2.根据权利要求1所述的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线，其特征在于，开口谐振腔(2)用于所述天线的实际口径大于其物理口径的尺寸。
3.根据权利要求1所述的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线，其特征在于，上层基板(1)和底层基板(7)之间通过中层基板(6)黏合。
4.根据权利要求1所述的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线，其特征在于，“十字型”耦合缝隙(5)开设在金属地板(4)的中心处。
5.根据权利要求1-4任一所述的应用于多普勒雷达的毫米波高增益平面口径天线，其特征在于，天线的整体尺寸为2λ0*2λ0*0.1924λ0，其中λ0是指自由空间中的波长。
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