CN113745842A - 一种应用于毫米波雷达的超材料吸波结构及其车用天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于毫米波雷达的超材料吸波结构及其车用天线，吸波结构包括多个水平方向周期性紧密排布、正方形的吸波单元，每个吸波单元包括从下往上依次叠放的金属反射层、第一介质层、超表面层、第二介质层，所述金属反射层、第一介质层、第二介质层均为边长为p的正方形片状，所述超表面层包括两个大圆形吸波片和两个小圆形吸波片，所述大圆形吸波片圆心距第一介质层上其对应直角两边的距离均为p/4，所述小圆形吸波片圆心距第一介质层上其对应直角两边的距离均为p/4。本发明的吸波结构可降低天线的后向散射波形，从而在雷达安装在车内时，吸波结构吸收雷达的后向散射波，降低雷达的多径效应，提高雷达的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及特种功能材料，具体地指一种应用于毫米波雷达的超材料吸波结构其车用天线。
背景技术
随着汽车智能网联技术的发展，毫米波雷达在汽车中的应用逐渐广泛而重要，把毫米波雷达安装在汽车上，起着汽车“眼睛”的作用，这样就可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。
由于毫米波雷达的安装环境复杂，毫米波雷达发射的雷达波在车内会经过多次反射，雷达波的多径效应会影响雷达接收系统对目标的判断，因此采用在雷达后方放置吸波材料的方法可以极大的解决这个问题。超材料是指一类具有天然材料所不具备的超物理性能的人工材料。超材料在特定频段可以实现较好的吸波性能，通过特殊设计，可以实现对毫米波雷达性能的提高，现有技术中已将超材料用于吸波，如公开号为CN111546719A、名称为一种磁性宽频带电磁吸波超材料的中国发明专利中所述。2021年3月工信部将76-79GHz频段规划用于汽车雷达，2024年将停止生产或者进口在国内销售的24.25-26.65GHz频段车载雷达设备，而现有毫米波雷达的吸波结构仅适用于较窄的现有频段，无法在76-79GHz频段达到良好的吸波效果。
公开号为CN 210781942 U的中国实用新型公开了一种用于亚毫米波频段的宽频吸波体，包括：基底以及均匀设置在基底上的多个吸波体，基底由多层基底层组成，基底层采用透波型树脂混合导电材料；吸波体的吸波材料层从下向上逐渐变小，吸波体整体呈圆锥形；所述吸波体的高度为5mm，所述吸波体的锥角角度为9.50°-9.55°。但该专利中尖劈结构层数较多，造成尖劈结构在纵向上的厚度较厚，尖劈结构只能在空旷场所适用，限制了该结构在车内的应用。而且一般波的入射角越大，吸波性能越差。
因此，需要开发出一种结构简单、大角度入射时吸波性能良好、适用于76-79GHz频段毫米波雷达的超材料吸波结构及其车用天线。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种大角度入射下吸波性能良好、适用于76-79GHz频段毫米波雷达的超材料吸波结构及其车用天线。
本发明的技术方案为：一种应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，其特征在于，包括多个水平方向周期性紧密排布、正方形的吸波单元，每个吸波单元包括从下往上依次叠放的金属反射层、第一介质层、超表面层、第二介质层，所述金属反射层、第一介质层、第二介质层均为边长为p的正方形片状，
所述超表面层包括两个大圆形吸波片和两个小圆形吸波片，两大圆形吸波片设置于第一介质层上其中一对角处，两小圆形吸波片设置于第一介质层上另一对角处，所述大圆形吸波片半径大于小圆形吸波片半径且大圆形吸波片半径不超过p/4，所述大圆形吸波片圆心距第一介质层上其对应直角两边的距离均为p/4，所述小圆形吸波片圆心距第一介质层上其对应直角两边的距离均为p/4。
优选的，所述边长p为19.6-20.2mm，所述大圆形吸波片半径为4.7-4.9mm，小圆形吸波片半径为3.8-4.2mm。大圆形吸波片和小圆形吸波片的尺寸决定吸波频段，半径过小会造成吸波性能较差。
优选的，所述金属反射层材料为铜或铝，所述金属反射层厚度为0.015-0.02mm。
优选的，所述第一介质层材料为聚氟乙烯或聚乳酸，第一介质层厚度为0.8-1mm。
优选的，所述第二介质层材料为聚氟乙烯或聚乳酸，第二介质层厚度为0.8-1mm。
优选的，所述第一介质层、第二介质层的介电常数均为2.1-2.3。
优选的，所述超表面层材料为导电塑料或氧化铟锡。
优选的，所述超表面层的方阻为90-110Ω/m2。方阻过小与金属性能接近，会造成吸波频段变窄，方阻过大也会失去吸波性能。
优选的，边长p为20mm，所述大圆形吸波片半径为4.9mm，小圆形吸波片半径为4mm。
本发明还提供一种车用天线，包括77Ghz毫米波雷达天线以及如上述的超材料吸波结构，所述超材料吸波结构设置于77Ghz毫米波雷达天线的后方。
本发明的有益效果为：
1.超表面层中，两个大圆形吸波片和两个小圆形吸波片均在正方形的第一介质层上对角设置，使整个超表面层既沿正方形的对角线对称，还沿正方形上X轴方向、Y轴方向的中心线对称(正方形上垂直的两边分别沿X轴方向、Y轴方向)，高度对称的超表面层使其吸波性能稳定，在大角度入射时仍能保持良好的吸波性能。
2.半径不同的大圆形吸波片、小圆形吸波片互相配合可以拓宽吸波频段，使其在76-78Ghz频段仍具有良好的吸波效果。
3.本发明的吸波结构可降低天线的后向散射波形，从而在雷达安装在车内时，吸波结构吸收雷达的后向散射波，降低雷达的多径效应，提高雷达的工作效率。
4.结构简单，使用方便，适应于未来汽车发展潮流，具有广泛的市场前景。
附图说明
图1为本发明吸波结构示意图
图2为本发明吸波单元平面图
图3为本发明吸波单元竖向图
图4为吸波结构在大角度入射时的反射率曲线
图5天线后方放置吸波结构与未放置时的增益对比
其中：1-金属反射层2-第一介质层3-第二介质层4-大圆形吸波片5-小圆形吸波片。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1-3所示，本发明提供的一种应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，包括多个水平方向周期性紧密排布、正方形的吸波单元，每个吸波单元包括从下往上依次叠放的金属反射层1、第一介质层2、超表面层、第二介质层3，金属反射层1、第一介质层2、第二介质层3均为边长为p的正方形片状，金属反射层1、第一介质层2、第二介质层3边缘竖向对齐。
超表面层包括两个大圆形吸波片4和两个小圆形吸波片5，两大圆形吸波片4设置于第一介质层2上其中一对角处(图2中左上角和右下角)，两小圆形吸波片5设置于第一介质层2上另一对角处(图2中右上角和左下角)，大圆形吸波片4半径r1＞小圆形吸波片5半径r2且大圆形吸波片4半径r1≤p/4，大圆形吸波片4圆心距第一介质层2上其对应直角两边的距离均为p/4，小圆形吸波片4圆心距第一介质层2上其对应直角两边的距离均为p/4。如图2中，左上角的大圆形吸波片4对应正方形的左上角，其圆心距正方形的左上角的两边的距离均为p/4，右下角的大圆形吸波片4以及两个小圆形吸波片5同理，不再赘述。
本实施例中，两个大圆形吸波片4和两个小圆形吸波片5形成的超表面层既沿正方形对角线对称，还沿正方形上X轴方向、Y轴方向的中心线对称，正方形上垂直的两边分别沿X轴方向、Y轴方向(图2中X轴方向为左右向、Y轴方向为上下向)，高度对称的超表面层使吸波性能稳定，在大角度入射时仍能保持良好的吸波性能。
本实施例中，金属反射层1材料为铜，金属反射层1厚度t＝0.017mm。第一介质层2、第二介质层3材料均为聚氟乙烯，介电常数均为2.1(实际生产中介电常数可能有细微损耗)。第一介质层2厚度h1、第二介质层3厚度h2相同，h1＝h2＝0.9mm。边长p为20mm，大圆形吸波片4半径r1＝4.9mm，小圆形吸波片5半径r2＝4mm。超表面层(即大圆形吸波片4和小圆形吸波片5)材料为氧化铟锡，超表面层方阻为100Ω/m2，方阻与其厚度d相关。多个吸波单元水平周期性排列时，沿X轴方向、Y轴方向紧密排列形成矩阵。
本实施例还提供一种车用天线，包括77Ghz毫米波雷达天线以及上述超材料吸波结构，超材料吸波结构设置于77Ghz毫米波雷达天线的后方。
实施例2
本实施例中，除以下特点外，吸波结构与实施例1完全相同：
金属反射层1材料为铜，金属反射层1厚度t＝0.015mm。第一介质层2、第二介质层3材料均为聚氟乙烯，介电常数均为2.3。第一介质层2厚度h1、第二介质层3厚度h2相同，h1＝h2＝1.0mm。边长p为20mm，大圆形吸波片4半径r1＝4.7mm，小圆形吸波片5半径r2＝3.9mm。超表面层材料为氧化铟锡，超表面层方阻为110Ω/m2。多个吸波单元水平周期性排列时，沿X轴方向、Y轴方向紧密排列形成矩阵。
将本实施例的吸波结构放置于77Ghz毫米波雷达天线的后方，二者共同形成车用天线。
实施例3
本实施例中，除以下特点外，吸波结构与实施例完全相同：
金属反射层1材料为铜，金属反射层1厚度t＝0.018mm。第一介质层2、第二介质层3材料均为聚乳酸，介电常数均为2.2。第一介质层2厚度h1、第二介质层3厚度h2相同，h1＝h2＝0.8mm。边长p为19.8mm，大圆形吸波片4半径r1＝4.8mm，小圆形吸波片5半径r2＝4.2mm。超表面层材料为氧化铟锡，超表面层方阻为90Ω/m2。多个吸波单元水平周期性排列时，沿X轴方向、Y轴方向紧密排列形成矩阵。
将本实施例的吸波结构放置于77Ghz毫米波雷达天线的后方，二者共同形成车用天线。
实施例4
本实施例中，除以下特点外，吸波结构与实施例1完全相同：
金属反射层1材料为铝，金属反射层1厚度t＝0.02mm。第一介质层2、第二介质层3材料均为聚乳酸，介电常数均为2.1。第一介质层2厚度h1、第二介质层3厚度h2相同，h1＝h2＝0.9mm。边长p为19.6mm，大圆形吸波片4半径r1＝4.7mm，小圆形吸波片5半径r2＝3.8mm。超表面层材料为导电塑料，超表面层方阻为100Ω/m2。多个吸波单元水平周期性排列时，沿X轴方向、Y轴方向紧密排列形成矩阵。
将本实施例的吸波结构放置于77Ghz毫米波雷达天线的后方，二者共同形成车用天线。
实施例5
本实施例中，除以下特点外，吸波结构与实施例1完全相同：
金属反射层1材料为铝，金属反射层1厚度t＝为0.017mm。第一介质层2、第二介质层3材料均为聚乳酸，介电常数均为2.1。第一介质层2厚度h1、第二介质层3厚度h2相同，h1＝h2＝1.0mm。边长p为20mm，大圆形吸波片4半径r1＝4.8mm，小圆形吸波片5r2＝4mm。超表面层材料为导电塑料，超表面层方阻为110Ω/m2。多个吸波单元水平周期性排列时，沿X轴方向、Y轴方向紧密排列形成矩阵。
将本实施例的吸波结构放置于77Ghz毫米波雷达天线的后方，二者共同形成车用天线。
对实施例1中车用天线进行反射率仿真，入射角分别为0°、30°、60°，从图4可以看出，在毫米波雷达工作的77GHz频段附近，超材料吸波结构在垂直入射时反射率低至-30dB，且在大角度入射时，吸波性能较好，可达接近-10dB。
将实施例1中放置了吸波结构的77Ghz毫米波雷达天线与未放置吸波结构的77Ghz毫米波雷达天线进行增益对比，从图5中可以看出吸波结构对雷达天线的后向波有吸波作用，降低了后向波增益，因此可以得出本发明的吸波结构对77Ghz毫米波雷达后向的电磁波吸波性能良好。
Claims (10)
1.一种应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，其特征在于，包括多个水平方向周期性紧密排布、正方形的吸波单元，每个吸波单元包括从下往上依次叠放的金属反射层(1)、第一介质层(2)、超表面层、第二介质层(3)，所述金属反射层(1)、第一介质层(2)、第二介质层(3)均为边长为p的正方形片状；
所述超表面层包括两个大圆形吸波片(4)和两个小圆形吸波片(5)，两大圆形吸波片(4)设置于第一介质层(2)上其中一对角处，两小圆形吸波片(5)设置于第一介质层(2)上另一对角处，所述大圆形吸波片(4)半径大于小圆形吸波片(5)半径且大圆形吸波片(4)半径不超过p/4，所述大圆形吸波片(4)圆心距第一介质层(2)上其对应直角两边的距离均为p/4，所述小圆形吸波片(5)圆心距第一介质层(2)上其对应直角两边的距离均为p/4。
2.如权利要求1所述的应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，其特征在于，所述边长p为19.6-20.2mm，所述大圆形吸波片(4)半径为4.7-4.9mm，小圆形吸波片(5)半径为3.8-4.2mm。
3.如权利要求1所述的应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，所述金属反射层(1)材料为铜或铝，所述金属反射层(1)厚度为0.015-0.02mm。
4.如权利要求1所述的应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，其特征在于，所述第一介质层(2)材料为聚氟乙烯或聚乳酸，第一介质层(2)厚度为0.8-1mm。
5.如权利要求1所述的应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，其特征在于，所述第二介质层(3)材料为聚氟乙烯或聚乳酸，第二介质层(3)厚度为0.8-1mm。
6.如权利要求1所述的应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，其特征在于，所述第一介质层(2)、第二介质层(3)的介电常数均为2.1-2.3。
7.如权利要求1所述的应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，其特征在于，所述超表面层材料为导电塑料或氧化铟锡。
8.如权利要求1所述的应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，其特征在于，所述超表面层的方阻为90-110Ω/m2。
9.如权利要求1所述的应用于毫米波雷达的超材料吸波结构，其特征在于，边长p为20mm，所述大圆形吸波片(4)半径为4.9mm，小圆形吸波片(5)半径为4mm。
10.一种车用天线，其特征在于，包括77Ghz毫米波雷达天线以及如权利要求1所述的超材料吸波结构，所述超材料吸波结构设置于77Ghz毫米波雷达天线的后方。
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