CN113690605A - 基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，属于天线技术领域。该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统包括介质基板以及设置于介质基板上的发射天线和接收天线，所述的发射天线与接收天线均采用微带梳状平面阵列天线，且均通过微带转接SIW再转接微带线的方式与77GHz毫米波雷达芯片相连接。为了提高各天线之间的一致性，抑制天线副瓣，该天线系统增加了一个屏蔽罩结构件。与现有技术相比，本发明具有可以实现用于中距离和远距离探测、低成本、小体积以及高性能等优点。

Description

基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统
技术领域
本发明涉及技术领域天线技术领域，特别涉及毫米波雷达技术领域，具体是指一种基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统。
背景技术
逐渐复杂的道路交通环境促使我国对于智能交通管理系统的要求向智能化、全面化、准确化、实时化发展。而现有的交通雷达以摄像头为主，其在对雨雾等恶劣天气的情况下其视距范围会大大降低，难以满足要求。而毫米波雷达具有全天候，实时性的优点，且在测量目标速度和距离上有其独特的优势。所以在交通雷达领域引入毫米波雷达技术，对改善交通信息准确率，减少交通拥堵方面有极其重要的作用。
相比于24GHz毫米波雷达，77GHz毫米波雷达无论是在体积还是在探测精度和探测距离上都有着非常大的优势，这是由于77GHz的雷达微带天线拥有更短的波长，更容易在较小的天线体积下实现窄波束、大带宽和高增益。因为这些特性，基于77GHz的毫米波雷达将成为智慧城市与智能交通的标准配置。
专利CN201520832615.0提出了一种大间距布阵的77GHz车载雷达微带天线，虽然克服了传统微带天线布设困难的缺陷，但是没有考虑体积因素，在设计天线时采用了大间距144个天线单元组成的12*12的方形阵列，会对整体PCB板的体积有较大的影响。
专利CN 208224478 U提出了一种77GHz的雷达天线结构，该天线增益高，波束窄，但是体积较大，而且没有抑制微带馈线辐射，副瓣电平较高。且该天线排布方式在求解角度时，存在角度模糊，角度分辨能力差。
专利CN 212462027 U提出了一种1发4收的微带阵列天线，该天线增益低，探测距离较近，组成的MIMO虚拟阵个数少，在求解目标角度时，分辨能力差。
专利CN 107611577 A提出了一种串馈的3发4收毫米波雷达微带阵列天线，该天线可以同时实现高精度、远距离的探测目的。但是该串馈天线馈线宽度较窄(在5mil以下)，加工有一定的难度。且该天线结构馈线较长，天线之间的一致性比较差。
因此，如何提供一种能够克服上述缺陷，适用于复杂道路交通环境的毫米波雷达天线系统成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种高增益、低副瓣、虚拟阵幅相一致性好、尺寸较小的，能够满足智慧交通车辆检测、电子警察和红绿灯控制等智慧交通的需求的毫米波雷达天线系统。
为了实现上述的目的，本发明的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统具有如下构成：
其包括介质基板以及设置于该介质基板上的发射天线和接收天线，所述的发射天线与接收天线均采用微带梳状平面阵列天线结构，且所述的发射天线与接收天线分别通过微带转接SIW再转接微带的方式与毫米波雷达芯片相连接，该毫米波雷达芯片设置有屏蔽罩，所述屏蔽罩接地。
该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中，所述的发射天线与接收天线均分别包括数个微带梳状平面阵列天线，每个所述的微带梳状平面阵列天线包括两列微带梳状线阵天线结构，所述的两列微带梳状线阵天线结构通过一分二的微带功分器相连。
该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中，所述微带功分器是将两个50欧姆微带馈线通过四分之一阻抗变换器与一个50欧姆微带线相连。
该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中，所述微带梳状线阵天线包括M个阵元，M为奇数，以第(M+1)/2个阵元为中心，其余阵元关于该中心对称分布。
该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中，所述微带梳状线阵天线包括M个阵元，M为奇数，以第(M+1)/2个阵元为中心，其余阵元宽度依次递减。
该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中，所述微带与SIW之间通过微带梯形结构连接。
该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中，所述屏蔽罩底部设置有若干排地孔，且地孔上敷有铜皮，该屏蔽罩通过所述地孔接地。
该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中，所述屏蔽罩与所述地孔的铜皮之间通过导电胶或焊接方式相连接。
该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中，所述的介质基板的介电常数为3.06，厚度小于0.13mm。
与现有技术相比，本发明基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统具有以下有益效果：
(1)本发明为基于77GHz毫米波雷达芯片的微带阵列天线系统，阵列天线尺寸较小，结构紧凑，易于与芯片及数字电路系统集成。
(2)采用微带转接SIW再转接微带的结构，降低了传输线对天线方向图的影响，也降低了传输损耗。相比于纯微带传输结构，降低了馈线辐射；相比于SIW传输结构降低了芯片连接难度；相比于GCPW与CPW传输结构，降低了加工难度。
(3)采用微带梳状阵列天线作为辐射元，相比于串馈线阵相比，相同阵列天线间距的情况下，提高了天线隔离度，且该梳状阵列天线尺寸参数均在5mil之上，相比于普通串馈线阵，降低了加工难度。
(4)采用屏蔽罩结构对芯片及芯片出传输线部分进行电磁屏蔽，降低了芯片及微带传输线部分对天线方向图的影响，降低了副瓣电平，提高了增益。
(5)接收天线与发射天线在x方向和y方向均采用大间距排列，抑制了表面波，提高了天线的一致性。
附图说明
图1为本发明的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统的结构俯视图；
图2为本发明的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统的结构正视图；
图3为本发明的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中2×11微带梳状面阵天线结构示意图；
图4为本发明的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统中1×11微带梳状线阵天线结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1及图2所示，为本发明的基于77GHz基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统的结构示意图。该天线系统由敷铜地板、介质基板、接收天线、发射天线和馈电网络组成。接收天线和发射天线均采用2×11的微带梳状面阵天线结构，并通过馈电网络与毫米波雷达芯片相连。为了进一步提高天线性能，抑制天线副瓣，在芯片外围增加了屏蔽罩结构，用于抑制芯片及微带连接线对天线的影响。
进一步的实施例中，所述介质基板的介电常数为3.06，介质厚度为0.127mm，敷铜地板、微带天线和馈电网络的铜层厚度为18μm。
进一步的实施例中，如图3及图4所示，所述2×11的微带梳状面阵天线结构均由1×11的微带梳状线阵结构和1分2功分器构成。所述1×11的微带梳状线阵结构的阵元位置以第6个阵元为中心，其余的阵元关于其中心对称分布。
进一步的实施例中，所述1×11的微带梳状线阵结构的阵元均为矩形贴片，贴片尺寸以第6个阵元为中心，依次向两端递减满足一定的幅度分布，以降低天线副瓣。
进一步的实施例中，接收天线与发射天线的微带面阵存在镜像。
进一步的实施例中，如图1及图3所示，接收天线Rx1与Rx2在x方向间距5.88mm，y方向间距1.96mm；Rx2与Rx3在x方向间距5.88mm，y方向间距为-1.96mm；Rx3与Rx4之间的x方向间距5.88mm，y方向间距为0。所述发射天线Tx1、Tx2、Tx3的x方向间距为3.92mm，y方向间距为0。为了抑制表面波，提高天线一致性，所述接收天线Rx4与发射天线Tx1之间的x方向间距为9mm，y方向间距为6mm。
进一步的实施例中，所述微带转SIW转接微带结构中，SIW的宽度为2mm，过孔直径为0.25mm，过孔间距为0.5mm。SIW敷铜皮宽度为2.5mm。微带转接SIW和SIW转接微带的过渡结构均为微带梯形贴片。
进一步的实施例中，所述屏蔽罩结构的内部高度为5.88mm，长度和宽度均为19mm，屏蔽罩为金属结构，金属厚度为2mm，即：屏蔽罩内尺寸为19mm×19mm×5.88mm，屏蔽罩外尺寸为23mm×23mm×7.88mm。为了使屏蔽罩有良好的接地效果，在屏蔽罩与PCB连接处敷有铜皮，且铜皮与地板间通过接地过孔相连接。
进一步的实施例中，所述屏蔽罩底部接地过孔的直径为0.25mm，间距为0.45mm～0.65mm。在接收天线馈线端放置有5排接地孔，其余三面放置4排接地孔。在微带转接SIW转接微带的传输结构过孔之间未放置接地孔。
进一步的实施例中，所述发射天线微带馈线之间的接地屏蔽孔直径为0.25mm，间距为0.45mm～0.65mm，接地孔表面敷有铜皮。
本实施例中，天线的具体参数详见表1。发射天线与接收天线的微带梳状面阵天线尺寸都是相同的。所述1×11的微带梳状线阵尺寸也是相同的。
Figure BDA0003227659620000051
表1本实施例中微带天线阵列的具体参数值
通过对本实施例的微带阵列天线进行仿真和实验测试，本实施例的天线的效果能达到预期的技术效果。下面进行详细说明。
对本实施例的微带阵列天线进行关于天线驻波(S11)的仿真测试，仿真结果表明，天线S11<-15dB的驻波带宽分别为：
(1)、Rx1在74.59GHz-77.88GHz频段内S11<-15dB，带宽3.29GHz；
(2)、Rx2在74.44GHz-77.47GHz频段内S11<-15dB，带宽3.03GHz；
(3)、Rx3在75.29GHz-77.58GHz频段内S11<-15dB，带宽2.29GHz；
(4)、Rx4在74.58GHz-77.90GHz频段内S11<-15dB，带宽3.32GHz；
(5)、Tx1在75.06GHz-77.02GHz频段内S11<-15dB，带宽1.96GHz；
(6)、Tx2在75.46GHz-77.38GHz频段内S11<-15dB，带宽1.92GHz；
(7)、Tx3在75.26GHz-78.07GHz频段内S11<-15dB，带宽2.81GHz；
(8)、接收天线之间隔离度<-40dB；
(9)、发射天线之间隔离度<-30dB；
(10)、收发天线之间隔离度<-50dB；
上述数据说明了在这些频段内工作，天线的反射系数小，阻抗特性好，可以正常工作。
对本实施例的微带阵列天线进行关于旁瓣电平(SLL)的仿真测试，仿真结果表明，在76-77GHz频段内，所有天线的SLL不大于-17.8dB。这个数值说明了在不需要的方向上出现的辐射波瓣的电平值大小。SLL越大，在不需要的方向上，会接收到较大的电平，降低信噪比，引入干扰。
对本实施例的微带阵列天线进行关于增益(Gain)的仿真测试，仿真结果表明，在76-77GHz频段内，接收天线的增益大于15dB，发射天线的增益大于14dB。可以满足交通探测雷达所要求的天线增益。
对本实施例的微带阵列天线进行关于3dB波束宽度(HPBW)的仿真测试，仿真结果表明，在76-77GHz频段内，7根天线俯仰面3dB波束宽度约为15度，这个数值证明该天线在满足雷达探测距离的要求下，兼顾了雷达盲区。7根天线水平面3dB波束宽度约50度，这个数值证明了该天线满足交通雷达左右3根车道的覆盖范围。
对本实施例的微带阵列天线进行关于隔离度(Isolation)的仿真测试，仿真结果表明，在76-77GHz频段内，4根接收天线的隔离度大于40dB；三根发射天线的隔离度大于30dB；距离最近的收发天线Rx4和Tx1之间的隔离度大于50dB。隔离度从一个方面说明了天线之间的互耦和干扰，隔离度越大，互耦越小，对天线的性能影响越小。
另外在对该毫米波雷达天线系统仿真中，该天线系统的虚拟阵在±30度范围内，幅度差在正负2dB以内，相位差在±20度以内，该天线系统的各天线之间具有良好的一致性。
采用了本发明的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其包括介质基板以及设置于介质基板上的发射天线和接收天线，所述的发射天线与接收天线均采用微带梳状平面阵列天线，且均通过微带转接SIW再转接微带线的方式与77GHz毫米波雷达芯片相连接。为了提高各天线之间的一致性，抑制天线副瓣，该天线系统增加了一个屏蔽罩结构件。与现有技术相比，本发明具有可以实现用于中距离和远距离探测、低成本、小体积以及高性能等优点。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，包括介质基板以及设置于该介质基板上的发射天线和接收天线，其特征在于，所述的发射天线与接收天线均采用微带梳状平面阵列天线结构，且所述的发射天线与接收天线分别通过微带转接SIW再转接微带的方式与毫米波雷达芯片相连接，该毫米波雷达芯片设置有屏蔽罩，所述屏蔽罩接地。
2.根据权利要求1所述的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述的发射天线与接收天线均分别包括数个微带梳状平面阵列天线，每个所述的微带梳状平面阵列天线包括两列微带梳状线阵天线结构，所述的两列微带梳状线阵天线结构通过一分二的微带功分器相连。
3.根据权利要求2所述的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述微带功分器是将两个50欧姆微带馈线通过四分之一阻抗变换器与一个50欧姆微带线相连。
4.根据权利要求2所述的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述微带梳状线阵天线包括M个阵元，M为奇数，以第(M+1)/2个阵元为中心，其余阵元关于该中心对称分布。
5.根据权利要求2所述的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述微带梳状线阵天线包括M个阵元，M为奇数，以第(M+1)/2个阵元为中心，其余阵元宽度依次递减。
6.根据权利要求1所述的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述微带与SIW之间通过微带梯形结构连接。
7.根据权利要求1所述的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述屏蔽罩底部设置有若干排地孔，且地孔上敷有铜皮，该屏蔽罩通过所述地孔接地。
8.根据权利要求7所述的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述屏蔽罩与所述地孔的铜皮之间通过导电胶或焊接方式相连接。
9.根据权利要求1所述的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述的介质基板的介电常数为3.06，厚度小于0.13mm。
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