CN113725599A - 一种用于毫米波汽车雷达的组合天线 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种用于毫米波汽车雷达的组合天线，由三层介质材料和四层金属构成。金属层包括辐射层，天线反射层，带状线馈电层和底部地板层。辐射层刻蚀有两个以上等距离排列的相同的网格辐射单元，网格单元的非辐射边由弯曲弧线代替了传统的直线。辐射边由渐变微带线代替了传统的同宽度微带线，单元之间的连接段与网格单元辐射边长宽一致，降低了天线设计难度。在网格单元中间的空白区域添加了贴片单元，并通过微带线与网格非辐射边相连，与单元间连接段组成了串联贴片天线，有效利用了天线面积。由于网格单元中间的区域较小，贴片天线产生的谐振模式频率略高于网格天线，因此两种形式的辐射单元形成了组合天线效果，产生的两组谐振模式辐射拓宽了天线工作带宽。天线采用过孔馈电，馈电点关于线阵中心左右对称，过孔穿过天线反射地层上的通孔与带状线馈电层相连；带状线馈电层包含一个T形功分器和一个利用附加长度实现的移相器，用来实现差分馈电。该天线结构简单，设计容易，成本低廉，适合用于毫米波段汽车雷达。
Description
技术领域
本发明专利涉及无线通信设备，特别涉及车载雷达天线，具体是一种采用平面工艺设计的用于毫米波汽车雷达的组合天线。
背景技术
随着汽车工业发展，无论是目前汽车防碰撞系统的检测预警，还是未来无人驾驶汽车技术的应用，汽车雷达正受到越来越多人重视。相比超声波、红外线、激光体制的雷达，毫米波汽车雷达具有带宽大、分辨率高、体积小、成本低，可以在任何恶劣天气环境下工作的特点。串联微带贴片天线剖面低、结构紧凑、易集成，是目前毫米波汽车雷达中应用最广泛的天线形式。近几年来，伴随着封装天线的迅速发展，网格天线凭借高增益、低交叉极化和与平面制造工艺兼容度高等特点，在毫米波汽车雷达应用领域得到了广泛关注与研究。然而，一方面传统网格天线辐射边间距约为一倍介质波长，导致采用网格天线设计相控阵、MIMO阵列时容易因阵元间距过大而产生栅瓣的问题。另一方面，网格天线“中空”的结构特点导致天线占据的面积没有得到有效利用，无形中提高了雷达系统成本。，
发明内容
本发明专利的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于毫米波汽车雷达的组合天线，差分馈电保证了在宽频段内天线主辐射方向指向法向，同时在不改变网格单元辐射边、非辐射边长度与波长制约关系的情况下，将网格非辐射边弯曲为弧线形，实现天线尺寸缩减，压缩后的辐射边间距变小，增大了H面波束宽度，同时为网格天线组成阵面提供了可能性。通过在网格单元中间的空白区域添加贴片单元并与网格非辐射边相连形成串联贴片天线，有效利用了天线占据的面积。两种形式的辐射单元形成了组合天线效果，产生两种频率不同的谐振模式，实现天线工作带宽拓展。
本发明专利提供的天线，其特征是，由三层介质材料和四层金属构成。金属层包括辐射层、天线反射层、带状线馈电层和底部地板层。辐射层刻蚀有两个以上等距离排列的相同的网格辐射单元，网格单元的非辐射边由传统的直线替换成弯曲弧线，辐射边间距减少至0.3λ0以下，实现了天线尺寸缩减，满足一般阵列设计阵间距为0.5λ0的要求，避免了传统网格天线因辐射边间距过大导致阵列设计时出现栅瓣的问题。其中，由弯曲弧线构成的网格非辐射边，拉伸总长度应为λg(λg为空气波长)，以满足谐振网格天线结构特点。辐射边由渐变微带线代替了传统的同宽度微带线，其中最小线宽与非辐射边线宽一致，保证了辐射边与非辐射边连接处微带线连续性，通过调整最大线宽可以用来改善匹配与辐射性能。单元间连接段同样具有辐射作用，因此长宽与辐射边一致。在网格单元中间的空白区域添加了贴片单元，并通过微带线与网格非辐射边相连，与单元间连接段组成了串联贴片天线，有效利用了天线面积。由于网格单元中间的区域较小，贴片天线产生的谐振模式频率略高于网格天线，因此两种形式的辐射单元形成了组合天线效果，其中贴片单元产生高频谐振模式辐射，网格单元产生低频谐振模式辐射，产生的两组谐振模式辐射拓宽了天线工作带宽。天线末端串联的开槽贴片单元作为匹配负载改善匹配性能。带状线馈电层采用过孔对顶层辐射层差分馈电，馈电位置关于线阵中心左右对称，过孔穿过天线反射层上的通孔与带状线馈电层相连，过孔与带状线馈电层连接处附近，设有利用接地孔构成的等效电壁；带状线馈电层采用的功分移相网络包含一个T形功分器和一个利用附加长度实现的移相器，用来实现差分馈电。
本发明专利提供的天线，其特征是，差分馈电保证了网格单元辐射边电流同向，非辐射边电流反向，过孔位置位于网格非辐射边与单元间连接段的交点并关于线阵中心左右对称。过孔相连的馈线长度相差λg/2以锁定输出端口幅度相等，相位相反。
本发明专利提供的天线，其特征是，过孔与带状线馈电层连接处附近，设有利用接地孔构成的等效电壁来减小能量在换层传输时的损耗，调节接地孔尺寸和接地过孔间距可以改善换层过渡结构匹配程度。
本发明专利提供的天线，其特征是，带状线组成的T形功分器结构，包括四分之一波长线段和切角，用来改善端口匹配情况。
本发明专利提供的天线，其特征是，T形功分器输入带状线与芯片输出匹配。其末端可以与芯片引脚引出的馈线通过换层结构相连。
本发明专利提供的天线，其特征是，整体结构可以采用低温共烧陶瓷工艺或电路板工艺实现。
和现有技术相比，本发明专利的优点是：
1.小型化后的网格天线辐射边H面间距缩短至0.3λ0(λ0为空气波长)以下，满足一般阵列设计时0.5λ0阵元间距要求，避免了传统网格线阵因为H面尺寸过大导致阵列设计时出现的栅瓣问题。相比同阵元数的传统网格天线，波束宽度更宽，更适合用于雷达进行大范围目标检测。
2.在网格单元中间的空白区域添加贴片单元组成串联贴片天线，利用两种单元产生不同频率的谐振模式辐射实现带宽拓展，保证了宽频带范围内雷达性能的稳定性，有效利用了天线面积。
3.天线为微带形式，各单元尺寸一致，兼容多种制造工艺，因此天线具备结构简单，设计容易，制造成本低等优点。
附图说明
图1是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的组合天线的结构侧面剖视图。
图2是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的组合天线的辐射层俯视图。
图3是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的组合天线的换层过渡结构侧视图。
图4是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的组合天线的馈电层俯视图。
图5是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的组合天线的增益带宽仿真结果图。
图6是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的组合天线的阻抗带宽仿真结果图
图7是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的组合天线的方向图特性仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明专利作进一步详细的描述，但本发明专利所要求保护的范围并不局限于实施例所涉及的范围。
本发明专利提供的天线结构由图1所述，整体结构包括三层介质材料和四层金属构成。金属层包括辐射层，天线反射层，带状线馈电层和底部地板层。辐射层俯视图由图2所述，刻蚀有两个以上网格辐射单元以满足差分馈电要求，各网格单元尺寸完全一致，单元间连接段长宽尺寸也与辐射边一致，这样做的好处是减小天线设计难度。网格单元的非辐射边由四段弯曲弧线代替了传统的直线，相比直角弯折，弧线弯折保证了微带线连续性，减小了天线交叉极化。弯曲弧线形网格单元实现了天线尺寸缩减，一方面增大了H面波束宽度，提高了雷达探测范围，另一方面避免了传统网格天线因辐射边间距过大导致阵列设计时产生栅瓣的问题。辐射边由渐变微带线代替了传统的同宽度微带线，目的是减少辐射边与非辐射边连接处微带线不连续性带来的失配，最小线宽与非辐射边线宽一致，最大线宽根据匹配情况与辐射性能决定。弯曲弧线形非辐射边的拉伸长度应该在λg(λg为介质波长)左右，辐射边长度应该在λg/2左右，以满足网格天线的辐射原理，其中λg是介质波长。在网格单元中间的空白区域添加了贴片单元，并通过微带线与网格非辐射边相连，与单元间连接段组成了串联贴片天线，达到提高天线面积利用率的目的。由于两种形式辐射单元的辐射原理都是缝隙辐射，且网格中间区域较小，贴片单元工作频率将略高于网格单元，因此两种形式的辐射单元形成了组合天线效果。通过调整单元工作频率，产生的两组谐振模式辐射拓宽了天线工作带宽。本实施例中，网格单元产生的低频谐振模辐射频率为78GHz，贴片单元产生的高频谐振模辐射频率为83GHz。天线采用过孔馈电，馈电点位置关于线阵中心左右对称，以满足方向图对称性，一般选择在网格非辐射边与单元间连接段的交点。过孔穿过天线反射层上的通孔与带状线馈电层相连，其中过孔和通孔组成介质材料填充的50Ω同轴线。带状线馈线层由图3所述，过孔与馈线层连接处附近，有用接地孔构成的等效金属壁，通过调整接地孔尺寸和接地过孔间距可以减小能量在换层传输时的损耗和失配现象。过孔馈线均为50Ω带状线，通过电长度相差λg/2锁定输出端口幅度相等，相位相反的关系，其中四分之一波长线段和切角是为了改善匹配情况。T形功分器的输入部分为50Ω带状线，前端芯片引出的信号线可以通过换层过渡结构相连，因此与一般车载雷达天线采用的电路板技术不同，天线与芯片经过设计和一体封装后具有拓展为封装天线的可能。
应用本天线的一个实例：为不失一般性，此实例的所有尺寸均对天线中心频率79GHz的介质波长λg归一化为电长度。如图2，顶层介质材料上共刻蚀有六个一样的网格单元，其中网格非辐射边9由四段半圆形弧线构成，每段弧线阻抗为75Ω，半径为0.08λg，拉伸总长度为λg，辐射边间距由1.16λg减少至0.68λg(0.28λ0)；辐射边10最大宽度对应的特性阻抗为55.4Ω，长度为0.64λg，相邻两单元间连接段尺寸与辐射边长宽尺寸一致。网格中间贴片单元12长度与宽度分别为0.26λg、0.16λg，末端串联的贴片13长度与宽度分别为0.32λg、0.21λg。如图3，过孔6与线阵中心19距离为2.9λg，过孔6与天线反射层通孔7两者形成介质材料填充的50Ω同轴线。如图4，接地孔8以过孔6位置为圆心，半径为0.21λg组成等效电壁。带状线14与带状线15长度分别为1.41λg、0.91λg，T形功分器四分之一波长线段16特性阻抗为108Ω。整体结构采用LTCC工艺实现，介质采用的是FerroA6M-E材料(εr＝5.7±0.2，tanδ＜0.1，@10GHz)，介质层厚为96μm，金属层层厚为8μm。
图5显示了本发明专利设计的天线法向方向上增益带宽仿真结果。结果显示天线3-dB增益带宽约为75–86GHz，81.5GHz时最大增益约为14.8dB，增益带宽可以完全覆盖76–81GHz毫米波汽车雷达频段。
图6显示了本发明专利设计的天线阻抗带宽仿真结果。结果显示天线-10dB带宽约为72.4–90.2GHz，阻抗带宽可以完全覆盖目前制定的毫米波76-81GHz车载雷达频段。
图7显示了本发明专利设计的天线方位面(沿网格非辐射边方向并与结构垂直的面)方向图特性仿真结果图。相比一般网格天线，当频率偏移中心频率时，网格上电流分布不再满足辐射边同向，非辐射边反向，导致了方向图畸变，增益下降。本发明专利通过将贴片与网格两种形式的天线组合在一起，在宽频带内天线的方向图都不会出现畸变等问题，保证了雷达系统正常工作。
如上所述便可较好的实现本发明专利。本发明专利并不仅限于上述给出的实施方案，本领域技术人员在本发明的构思下，可做出不同变形，例如采用不同形状、不同尺寸的辐射体替代网格辐射边与贴片，从而获得宽阻抗频带、低副瓣等功能天线；天线馈电结构可以是微带线、基片集成波导、共面波导等。
Claims (7)
1.一种用于毫米波汽车雷达的组合天线，其特征是，由三层介质材料(1)和四层金属构成。金属层包括辐射层(2)、天线反射层(3)、带状线馈电层(4)和底部地板层(5)。辐射层(2)刻蚀有两个以上等距离排列的相同的网格辐射单元，通过将网格单元的非辐射边(9)由传统的直线替换成弯曲弧线，辐射边间距减小至0.3λ0以下(λ0为空气波长)，实现了天线尺寸缩减，满足一般阵列设计阵间距为0.5λ0的要求，避免了传统网格天线因辐射边间距过大导致阵列设计时出现栅瓣的问题。其中，由弯曲弧线构成的网格非辐射边，拉伸总长度应为λg(λg为介质波长)，以满足谐振网格天线结构特点。辐射边(10)由渐变微带线代替了传统的同宽度微带线，其中最小线宽与非辐射边线宽一致，保证了辐射边与非辐射边连接处微带线连续性，通过调整最大线宽可以用来改善匹配与辐射性能。单元间连接段(11)同样具有辐射作用，因此长宽与辐射边一致。在网格单元中间的空白区域添加了贴片单元(12)，并通过微带线与网格非辐射边相连，与单元间连接段组成了串联贴片天线，有效利用了天线面积。由于网格单元中间的区域较小，贴片天线产生的谐振模式频率略高于网格天线，因此两种形式的辐射单元形成了组合天线效果，其中贴片单元产生高频谐振模辐射，网格单元产生低频谐振模辐射，产生的两组谐振模式辐射拓宽了天线工作带宽。天线末端串联的开槽贴片单元(13)作为匹配负载改善匹配性能。
2.根据权利要求1所述一种用于毫米波汽车雷达的组合天线，其特征是，带状线馈电层(4)采用过孔(6)对顶层辐射层(2)馈电，馈电位置关于线阵中心(19)左右对称，过孔(6)穿过天线反射层上的通孔(7)与带状线馈电层(4)相连，过孔(6)与带状线馈电层(4)连接处附近，设有利用接地过孔构成的等效电壁(8)；带状线馈电层(4)采用的功分移相结构包含一个T形功分器和一个利用附加长度实现的移相器，用来实现差分馈电。
3.根据权利要求2所述一种用于毫米波汽车雷达的组合天线，其特征是，差分馈电保证了网格辐射边电流方向相同，非辐射边电流方向相反，过孔(6)位置位于网格非辐射边与单元间连接段的交点并关于中心(19)对称。过孔馈线(14)、(15)长度相差λg/2(λg为介质波长)以锁定输出端口幅度相等，相位相反。
4.根据权利要求3所述一种用于毫米波汽车雷达的组合天线，其特征是，过孔(6)与带状线馈电层(4)连接处附近，设有利用接地孔构成的等效电壁(8)用来减小能量在换层传输时的损耗，调节接地孔尺寸和接地过孔间距可以改善换层过渡结构匹配程度。
5.根据权利要求2所述一种用于毫米波汽车雷达的组合天线，其特征是，带状线组成的T形功分器结构，包括四分之一波长线段(16)和切角(17)，用来改善端口匹配情况。
6.根据权利要求5所述一种用于毫米波汽车雷达的组合天线，其特征是，T形功分器输入带状线(18)与芯片输出匹配。其末端可以与芯片引脚引出的馈线通过换层结构相连。
7.根据权利要求1所述一种用于毫米波汽车雷达的组合天线，其特征是，整体结构可以采用低温共烧陶瓷工艺或多层印刷电路板工艺实现。
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