CN114447631A - 一种发射天线阵列、发射天线系统及毫米波雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线技术领域,公开了一种发射天线阵列、发射天线系统及毫米波雷达。发射天线阵列包括馈电网络及多个发射阵元,馈电网络包括多个蛇形馈电单元及多个第一馈线,每个蛇形馈电单元电连接在相邻两个第一馈线之间,多个发射阵元与多个第一馈线一一对应,每个发射阵元电连接于对应的第一馈线,馈电网络可馈入频率依次增大或减小的电流信号,以使多个发射阵元输出的天线波束的最大辐射方向在垂直方向依次指向对应角度,实现在垂直方向上的扫描。因此,通过调节馈入发射天线阵列的电流信号的频率,使得发射天线阵列可在垂直方向进行扫描,具有垂直分辨率,具备测高能力,从而可准确判别目标类型。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域,特别是涉及一种发射天线阵列、发射天线系统及毫米波雷达。
背景技术
相较于传统天线,毫米波雷达天线更容易在更小的天线体积下实现更高的增益和更窄的波束宽度,从而具有更高的探测精度和更远的探测距离,因此,毫米波雷达天线被广泛应用于交通、通信等领域。
一般的,如果要准确检测具有高度的目标(例如路牌),要求毫米波雷达天线具有垂直方向的角度分辨率,以获取目标的完整信息,从而实现对目标的准确辨别。然而,传统的毫米波雷达天线一般只具有水平方向的角度分辨率,不具有垂直方向的角度分辨率,无法检测目标的高度,从而无法获取目标的完整信息,进而导致目标类型判别失败。
发明内容
本发明实施例提供了一种发射天线阵列、发射天线系统及毫米波雷达,能够改善相关技术中目标类型判别不够准确的技术问题。
本发明实施例为改善上述技术问题提供了如下技术方案:
在第一方面,本发明实施例提供了一种发射天线阵列,包括:
馈电网络,包括多个蛇形馈电单元及多个第一馈线,每个所述蛇形馈电单元电连接在相邻两个所述第一馈线之间;
多个发射阵元,与所述多个第一馈线一一对应,每个所述发射阵元电连接于对应的所述第一馈线;
所述馈电网络可馈入频率依次增大或减小的电流信号,以使所述多个发射阵元输出的天线波束的最大辐射方向在垂直方向依次指向对应角度,实现在垂直方向上的扫描。
可选的,所述蛇形馈电单元的等效电路包括等效电容及等效电感,所述等效电路的传输函数如下:
F(f,L,C)=A·ej·φ(f,L,C)
其中,F(f,L,C)为相位偏移量,f为流过所述蛇形馈电单元的电流信号的频率,L为所述等效电感,C为所述等效电容,A为所述电流信号的幅值,Φ(f,L,C)为相邻两个发射阵元之间的相位差。
可选的,所述馈电网络还包括阻抗匹配单元,所述阻抗匹配单元的一端用于馈入电流信号,另一端与所述第一馈线电连接。
可选的,所述阻抗匹配单元包括第二馈线及阻抗匹配枝节,所述第二馈线的一端用于馈入电流信号,另一端与所述第一馈线电连接,所述阻抗匹配枝节设置于所述第二馈线。
可选的,每个所述蛇形馈电单元包括第一弯折部、第三馈线及第二弯折部,所述第一弯折部与所述第二弯折部关于所述第三馈线的中心对称,所述第一弯折部的一端与一个所述第一馈线的一端电连接,另一端与所述第三馈线的一端电连接,所述第二弯折部的一端与所述第三馈线的另一端电连接,另一端与另一个所述第一馈线的一端电连接。
可选的,所述第一弯折部与所述第三馈线之间设有第一耦合缝隙,所述第二弯折部与所述第三馈线之间设有第二耦合缝隙,所述第一耦合缝隙、所述第二耦合缝隙的长度均小于0.25倍波导波长。
可选的,所述第一弯折部包括第四馈线及第五馈线,所述第四馈线的一端与所述第一馈线的一端电连接,所述第四馈线的另一端与所述第五馈线的一端电连接,所述第五馈线的另一端与所述第三馈线的一端电连接。
可选的,所述第二弯折部包括第六馈线及第七馈线,所述第六馈线的一端与所述第三馈线的一端电连接,所述第六馈线的另一端与所述第七馈线的一端电连接,所述第七馈线的另一端与所述第一馈线的一端电连接。
在第二方面,本发明实施例提供了一种发射天线系统,包括:
介质基板;以及
如上所述的发射天线阵列,所述发射天线阵列布设于所述介质基板上。
在第二方面,本发明实施例提供了一种毫米波雷达,包括如上所述的发射天线系统。
本发明实施例的有益效果包括:提供一种发射天线阵列、发射天线系统及毫米波雷达。发射天线阵列包括馈电网络及多个发射阵元,馈电网络包括多个蛇形馈电单元及多个第一馈线,每个蛇形馈电单元电连接在相邻两个第一馈线之间,多个发射阵元与多个第一馈线一一对应,每个发射阵元电连接于对应的第一馈线,馈电网络可馈入频率依次增大或减小的电流信号,以使多个发射阵元输出的天线波束的最大辐射方向在垂直方向依次指向对应角度,实现在垂直方向上的扫描。因此,通过调节馈入发射天线阵列的电流信号的频率,使得发射天线阵列可在垂直方向进行扫描,具有垂直分辨率,具备测高能力,从而可准确判别目标类型。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片仅作为示例性说明,这些示例性说明并不构成对实施例的限定,附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件,除非有特别申明,附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种发射天线系统的结构示意图;
图2a是本发明实施例提供的一种发射天线阵列的结构示意图;
图2b是本发明实施例提供的另一种发射天线阵列的结构示意图;
图2c是本发明实施例提供的又一种发射天线阵列的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的一种蛇形馈电单元的等效电路图;
图4是本发明实施例提供的一种频率扫描过程中天线波束的仿真示意图;
图5是本发明实施例提供的一种目标高度检测的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,当一个元件被表述“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明实施例提供一种发射天线系统。请参阅图1,发射天线系统包括介质基板100及发射天线阵列200。
发射天线阵列200布设于介质基板100的一表面,介质基板100远离发射天线阵列200的一表面接地300。介质基板包括介电常数、介质基板厚度、正切损耗角等参数,为满足天线设计的需求,需要选取具有合适参数的介质基板。例如,应用于77GHz-81GHz频段毫米波雷达天线设计时,采用Rogers RO3003板材作为介质基板。在本实施例中,介质基板100的参数或板材可基于不同应用和设计需要自由选取。
请一并参阅图2a至图2c,如图2a所示,发射天线阵列200包括馈电网络21及多个发射阵元22。
馈电网络21包括多个蛇形馈电单元211及多个第一馈线212,每个蛇形馈电单元211电连接在相邻两个第一馈线212之间。
多个发射阵元22与多个第一馈线212一一对应,即每个发射阵元22对应一个第一馈线212,每个发射阵元22电连接于对应的第一馈线212。
馈电网络21可馈入频率依次增大或减小的电流信号,例如在特定的带宽76GHz-78.5GHz内,馈电网络21依次馈入工作中心频率分别为76GHz、76.5GHz、77GHz、77.5GHz、78GHz、78.5GHz的电流信号,从而在能量前进方向进行频率扫描,使得多个发射阵元22输出的天线波束的最大辐射方向在垂直方向依次指向对应角度,例如,频率扫描范围为f1-fn,且f1到fn频率依次增大或减小,馈电网络21馈入工作中心频率为f1的电流信号时,天线波束在垂直方向指向0度,馈电网络21馈入工作中心频率为fn的电流信号时,天线波束在垂直方向指向最大角度,馈电网络21馈入工作中心频率为其它频率的电流信号时,天线波束在垂直方向指向其它角度。因此,通过调节馈电网络21馈入的电流信号的工作中心频率,可控制发射天线阵列200输出的天线波束在垂直方向的指向,实现在垂直方向的扫描,有效获取目标的高度信息,实现目标类型(尤其是具有高度的目标)的准确判别。
一般的,传统技术的发射天线无法通过调节馈入发射天线的频率来调节天线传播相位差,无论馈入发射天线的频率在高频还是在低频,波导中相邻发射阵元的传播相位差与自由空间中相邻发射阵元的传播相位差之比差异极小,无法拉开天线波束偏转角度,从而无法在垂直方向进行较大角度的扫描,进而无法有效检测目标高度。
本实施例的发射天线阵列200经过合理的结构设计,通过调节馈电网络21馈入的电流信号的工作中心频率,可拉开波束偏转角度,实现在垂直方向的较大角度扫描,从而有效检测目标高度。
在一些实施例中,电流信号在蛇形馈电单元211上传输时,蛇形馈电单元211可等效成电路结构,其中,蛇形馈电单元211的等效电路包括等效电容Ceq及等效电感Leq,该等效电路的传输函数如下:
F(f,L,C)=A·ej·φ(f,L,C)
其中,F(f,L,C)为相位偏移量,f为流过蛇形馈电单元211的电流信号的频率,L为等效电感Leq,C为等效电容Ceq,A为电流信号的幅值,Φ(f,L,C)为相邻两个发射阵元22之间的相位差。
根据等效电路的传输函数可知,通过合理设置等效电感Leq的取值和等效电容Ceq的取值,可使得馈电网络21馈入的电流信号的频率改变时,相邻两个发射阵元22的传播相位差随之改变,从而使得相位偏移量随着频率的变化而变化,于是,当频率差异较大时,波导中相邻天线单元的传播相位差与自由空间中相邻天线单元的传播相位差之比差异是比较大的。
天线波束偏转角度的公式如下:
假设低频下波导中相邻天线单元的传播相位差与自由空间中相邻天线单元的传播相位差之比为高频下波导中相邻天线单元的传播相位差与自由空间中相邻天线单元的传播相位差之比为如果低频和高频的频率差异较大,那么,与之间的差异就足够大,如此便可以在特定的带宽内获得较大的天线波束偏转角度,从而实现在垂直方向的较大角度扫描,进而有效检测目标高度。
在一些实施例中,如图2b所示,馈电网络21还包括阻抗匹配单元213,阻抗匹配单元213的一端可馈入电流信号,另一端与第一馈线212电连接。
具体的,如图2b所示,阻抗匹配单元213包括第二馈线2131及阻抗匹配枝节2132,第二馈线2131的一端可馈入电流信号,另一端与第一馈线212电连接,阻抗匹配枝节2132设置于第二馈线213。
通过在第二馈线2131上设置阻抗匹配枝节2132,可提高发射天线阵列200的辐射功率,降低馈线上的损耗,提供馈线的功率容量,并且有利于得到较好的天线波束形状。
在一些实施例中,如图2b所示,每个蛇形馈线单元211包括第一弯折部2111、第三馈线2112及第二弯折部2113,第一弯折部2111与第二弯折部2113关于第三馈线2112的中心对称,第一弯折部2111的一端与第一馈线212的一端电连接,另一端与第三馈线2112的一端电连接,第二弯折部2113的一端与第三馈线2112的另一端电连接,另一端与第一馈线212的一端电连接。
在一些实施例中,如图2b所示,第一弯折部2111与第三馈线2112之间设有第一耦合缝隙,第二弯折部2113与第三馈线2112之间设有第二耦合缝隙,其中,为了满足耦合要求,实现天线波束的可靠偏转,第一耦合缝隙的长度L1小于0.25倍波导波长,第二耦合缝隙的长度L2小于0.25倍波导波长。可以理解的是,基于不同应用和设计需要,第一耦合缝隙的长度与第二耦合缝隙的长度由用户自由设置,只要第一耦合缝隙、第二耦合缝隙的长度满足耦合要求即可。
在一些实施例中,如图2c所示,第一弯折部2111包括第四馈线21111及第五馈线21112,第四馈线21111的一端与第一馈线212的一端电连接,第四馈线21111的一端与第五馈线21112的一端电连接,第五馈线21112的另一端与第三馈线2112的一端电连接。
第二弯折部2113包括第六馈线21131及第七馈线21132,第六馈线21131的一端与第三馈线2112的一端电连接,第六馈线21131的另一端与第七馈线21132的一端电连接,第七馈线21132的另一端与第一馈线212的一端电连接。
请参阅图3,图3为本发明实施例提供的一种蛇形馈电单元的等效电路图。如图3所示,该等效电路包括第一等效电容C1、第一等效电感L1、第二等效电容C2及第二等效电感L2,其中,第一等效电容C1与第一等效电感L1并联,第二等效电容C2与第二等效电感L2并联。
在本实施例中,通过合理设置蛇形馈线单元211的馈线参数,可得到满足设计要求的第一等效电容C1、第一等效电感L1、第二等效电容C2及第二等效电感L2,可使得馈电网络21馈入的电流信号的频率改变时,相邻两个发射阵元22的传播相位差随之改变,从而使得相位偏移量随着频率的变化而变化,于是,当频率差异较大时,波导中相邻天线单元的传播相位差与自由空间中相邻天线单元的传播相位差之比差异足够大。因此,发射天线阵列200在特定带宽内进行频率扫描时,可获得较大的天线波束偏转角度,从而实现在垂直方向的较大角度扫描,进而有效检测目标高度。
请参阅图4,图4为本发明实施例提供的一种频率扫描过程中天线波束的仿真示意图。如图4所示,在一定的的频率范围内进行频率扫描的过程中,不同的频率下发射天线阵列输出的天线波束的最大辐射方向在垂直方向指向不同角度。并且,在两个扫描频率的差异较大时,天线波束的偏转角度足够大,从而有效获取目标的高度信息。
请参阅图5,图5为本发明实施例提供的一种目标高度检测的示意图。如图5所示,假设对人体目标进行扫描,通过依次向发射天线阵列馈入频率依次增大或减小的电流信号,进行频率扫描,可使得发射天线阵列输出的天线波束的最大辐射方向在垂直方向的指向角度在较大范围内偏转,有效获取人体目标的高度信息,从而有效辨别目标类型。
最后要说明的是,本发明可以通过许多不同的形式来实现,并不限于本说明书所描述的实施例,这些实施例不作为对本发明内容的额外限制,提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且在本发明的思路下,上述各技术特征继续相互组合,并存在如上所述的本发明不同方面的许多其它变化,均视为本发明说明书记载的范围;进一步地,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
本发明实施例还提供一种毫米波雷达,包括如上所述的发射天线系统。本实施例的毫米波雷达也具有上述优点,在此不再赘述。
Claims (10)
1.一种发射天线阵列,其特征在于,包括:
馈电网络,包括多个蛇形馈电单元及多个第一馈线,每个所述蛇形馈电单元电连接在相邻两个所述第一馈线之间;
多个发射阵元,与所述多个第一馈线一一对应,每个所述发射阵元电连接于对应的所述第一馈线;
所述馈电网络可馈入频率依次增大或减小的电流信号,以使所述多个发射阵元输出的天线波束的最大辐射方向在垂直方向依次指向对应角度,实现在垂直方向上的扫描。
2.根据权利要求1所述的发射天线阵列,其特征在于,所述蛇形馈电单元的等效电路包括等效电容及等效电感,所述等效电路的传输函数如下:
F(f,L,C)=A·ej·φ(f,L,C)
其中,F(f,L,C)为相位偏移量,f为流过所述蛇形馈电单元的电流信号的频率,L为所述等效电感,C为所述等效电容,A为所述电流信号的幅值,Φ(f,L,C)为相邻两个发射阵元之间的相位差。
3.根据权利要求1所述的发射天线阵列,其特征在于,所述馈电网络还包括阻抗匹配单元,所述阻抗匹配单元的一端用于馈入电流信号,另一端与所述第一馈线电连接。
4.根据权利要求3所述的发射天线阵列,其特征在于,所述阻抗匹配单元包括第二馈线及阻抗匹配枝节,所述第二馈线的一端用于馈入电流信号,另一端与所述第一馈线电连接,所述阻抗匹配枝节设置于所述第二馈线。
5.根据权利要求1至4任一项所述的发射天线阵列,其特征在于,每个所述蛇形馈电单元包括第一弯折部、第三馈线及第二弯折部,所述第一弯折部与所述第二弯折部关于所述第三馈线的中心对称,所述第一弯折部的一端与一个所述第一馈线的一端电连接,另一端与所述第三馈线的一端电连接,所述第二弯折部的一端与所述第三馈线的另一端电连接,另一端与另一个所述第一馈线的一端电连接。
6.根据权利要求5所述的发射天线阵列,其特征在于,所述第一弯折部与所述第三馈线之间设有第一耦合缝隙,所述第二弯折部与所述第三馈线之间设有第二耦合缝隙,所述第一耦合缝隙、所述第二耦合缝隙的长度均小于0.25倍波导波长。
7.根据权利要求5所述的发射天线阵列,其特征在于,所述第一弯折部包括第四馈线及第五馈线,所述第四馈线的一端与所述第一馈线的一端电连接,所述第四馈线的另一端与所述第五馈线的一端电连接,所述第五馈线的另一端与所述第三馈线的一端电连接。
8.根据权利要求5所述的发射天线阵列,其特征在于,所述第二弯折部包括第六馈线及第七馈线,所述第六馈线的一端与所述第三馈线的一端电连接,所述第六馈线的另一端与所述第七馈线的一端电连接,所述第七馈线的另一端与所述第一馈线的一端电连接。
9.一种发射天线系统,其特征在于,包括:
介质基板;以及
如权利要求1至8任一项所述的发射天线阵列,所述发射天线阵列布设于所述介质基板上。
10.一种毫米波雷达,其特征在于,包括如权利要求9所述的发射天线系统。
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WO2024098326A1 (zh) * | 2022-11-10 | 2024-05-16 | 深圳市华屹医疗科技有限公司 | 波束扫描系统 |
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Address after: 518000 401, Building B1, Nanshan Zhiyuan, No. 1001, Xueyuan Avenue, Changyuan Community, Taoyuan Street, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong Applicant after: Shenzhen Saifang Technology Co.,Ltd. Address before: 518000 room 701, building B1, Nanshan wisdom garden, 1001 Xueyuan Avenue, Changyuan community, Taoyuan Street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant before: Shenzhen Daotong Intelligent Automobile Co.,Ltd. |