CN114566795B - 一种平顶方向图毫米波雷达天线及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平顶方向图毫米波雷达天线及系统，所述平顶方向图毫米波雷达天线包括：介质基板，以及设置在介质基板正面的天线阵列和馈电网络；天线阵列包括n个串馈线阵，介质基板背面等效为接地面；n个串馈线阵通过馈电网络并馈，每个并馈的串馈线阵均具有组成平顶方向图的激励分布；每个串馈线阵均由m个辐射单元串馈形成，串馈线阵单元具有切比雪夫激励分布；其中，串馈线阵和馈电网络之间设置有阻抗变换器，阻抗变换器用于对串馈线阵和馈电网络输出端口进行阻抗匹配。本发明提供的平顶方向图毫米波雷达天线，具有探测角度大、副瓣较低的特点，能够实现远区宽范围探测。

Description

一种平顶方向图毫米波雷达天线及系统

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，特别涉及一种平顶方向图毫米波雷达天线及系统。

背景技术

毫米波雷达由于尺寸小、安装方便的特点，在车载雷达、场地安防、预警探测等领域得到了广泛应用和大力发展；另外，毫米波探测和光学探测相比，具有不受雾霾、雨雪、日照等因素的限制，可以全天候、全天时工作的特点。综上，毫米波雷达具有很大的应用价值。

为了提高毫米波雷达的探测距离，雷达天线一般采用天线阵列实现高增益方向图。现有均匀馈电的天线阵列方向图为笔形方向图，主瓣较窄，增加了能量的聚束程度，但是远区探测的范围受到限制；同时副瓣能量较高，容易形成干扰，降低探测的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平顶方向图毫米波雷达天线及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的平顶方向图毫米波雷达天线，具有探测角度大、副瓣较低的特点，能够实现远区宽范围探测。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种平顶方向图毫米波雷达天线，包括：介质基板，以及设置在介质基板正面的天线阵列和馈电网络；所述天线阵列包括n个串馈线阵，所述介质基板背面等效为接地面；

所述n个串馈线阵通过所述馈电网络并馈，每个并馈的串馈线阵均具有组成平顶方向图的激励分布；每个串馈线阵均由m个辐射单元串馈形成，串馈线阵单元具有切比雪夫激励分布；

其中，所述串馈线阵和所述馈电网络之间设置有阻抗变换器，所述阻抗变换器用于对串馈线阵和馈电网络输出端口进行阻抗匹配；m≥2，n≥2。

本发明的进一步改进在于，n个串馈线阵完全相同且平行排布。

本发明的进一步改进在于，所述天线阵列关于中心轴线对称，所述中心轴线平行于串馈线阵。

本发明的进一步改进在于，每个串馈线阵中，辐射单元的间距相等，辐射单元的长度相同，辐射单元的宽度与单元激励幅度值成正比。

本发明的进一步改进在于，所述辐射单元为半波导波长矩形微带贴片天线。

本发明的进一步改进在于，辐射单元之间的间距为微带线中传输的一个波导波长。

本发明的进一步改进在于，所述馈电网络为多个级联的T型网络；

所述T型网络的两个输出端口连接四分之一波长阻抗变换线，阻抗特性满足功率分配比，长度满足相位值。

本发明的进一步改进在于，所述馈电网络采用折叠结构。

本发明的进一步改进在于，所述馈电网络中，n个并馈端口相位差由馈电网络馈线长度不同实现，馈电网络馈线弯折排布。

本发明提供的一种平顶方向图毫米波雷达系统，包括本发明任一项上述的平顶方向图毫米波雷达天线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的技术方案中，通过m*n天线阵列的m个辐射单元串馈激励幅度使用切比雪夫分布减小副瓣电平，n个并馈激励使用平顶方向图的幅度、相位分布。本发明的天线方向图在E面(解释性的，天线的辐射方向和天线最大电场所形成的面)为低副瓣方向图，H面(解释性的，天线的辐射方向和天线最大磁场所形成的面)为平顶方向图，进而具有水平面宽探测角度能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出了本发明实施例的一种平顶方向图毫米波雷达天线的结构示意图；

图2示意性示出了本发明实施例的毫米波雷达天线阵列的回波损耗随频率变化的曲线图；

图3示意性示出了本发明实施例的馈电网络的功分幅度随频率变化的曲线图；

图4示意性示出了本发明实施例的馈电网络的功分相位随频率变化的曲线图；

图5示意性示出了本发明实施例的天线阵列E面(XOZ)方向图仿真结果示意图；

图6示意性示出了本发明实施例的天线阵列H面(YOZ)平顶方向图仿真结果示意图；

图中，1、介质基板；2、串馈线阵；20、辐射单元；21、微带馈线；22、渐变阻抗变换器；3、馈电网络；30、第二级T型网络；31、移相传输线；32、弯折馈线；33、第一级T型网络；301、第一级输出端口；302、第二级的第一输出端口；303、第二级的第二输出端口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明实施例公开的一种平顶方向图毫米波雷达天线，包括：介质基板以及印刷在介质基板正面的m*n天线阵列和馈电网络；天线阵列为对称结构，馈电网络具有对称结构；介质基板背面为金属板，等效为接地面。所述串馈线阵和所述馈电网络之间设置有阻抗变换器，所述阻抗变换器用于对串馈线阵和馈电网络输出端口进行阻抗匹配；m≥2，n≥2。示例性可选的，所述阻抗变换器为渐变阻抗变换器。

具体解释性的，所述介质基板为适合射频频段的低损耗介质基板；所述天线阵列关于中心轴线对称，所述中心轴线平行于串馈线阵。

本发明实施例具体的，所述天线阵列中，由m个辐射单元串馈形成串馈线阵，所述串馈线阵结构具有对称性，中间单元具有最大激励幅度，激励幅度向两侧逐渐递减，所述串馈线阵单元具有切比雪夫激励分布。所述天线阵列由n个串馈线阵并馈组成，每个并馈的串馈线阵具有组成平顶方向图的激励分布；所述激励分布通过深度学习算法优化得到具体阵元激励的幅度和相位值。

本发明实施例进一步优选的，辐射单元间的间距相等，辐射单元长度相同，辐射单元宽度与单元激励幅度值成正比。所述馈电网络为多个级联的T型网络，所述T型网络两个端口连接四分之一波长阻抗变换线，阻抗特性满足功率分配比，长度满足相位值。所述馈电网络和天线连接采用四分之一阻抗变换线。所述馈电网络采用折叠结构，减小馈电尺寸。

具体示例性的，所述馈电网络中，第一级T型功率分配网络为等功率分配网络，一分n功率分配馈电网络实现满足平顶方向图要求的功率分配比和相位差。n个串馈线阵完全相同并平行排布，串馈线阵中每个辐射单元长度均相同，辐射单元宽度和等副瓣切比雪夫分布激励幅度值成正比。辐射单元均为半波导波长矩形微带贴片天线，串馈辐射单元之间间距相等，为微带线中传输的一个波导波长。

基于上述技术公开可知，本发明通过m*n天线阵列的m个辐射单元串馈激励幅度使用切比雪夫分布减小副瓣电平，n个并馈激励使用平顶方向图的幅度、相位分布。本发明的天线方向图在E面为低副瓣方向图，H面为平顶方向图，进而具有水平面宽探测角度能力。示例性的，本发明实施例提供的平顶方向图毫米波雷达天线可适用于宽角度探测范围雷达。

本发明实施例可选的，馈电网络中T型网络两个输出端有四分之一波长阻抗变换线和终端匹配，两个四分之一波长阻抗变换线阻抗和功率分配比相关；所述n个并馈端口相位差由馈电网络馈线长度不同实现，所述馈电网络馈线弯折排布。

请参阅图1，图1示意性示出了本发明实施例的平顶方向图毫米波雷达天线的结构示意图；本发明实施例的一种平顶方向图毫米波雷达天线，包括介质基板1以及设置于介质基板1的多个辐射单元20和馈电网络3。其中，多个辐射单元20和馈电网络3设置在介质基板1的正面，介质基板1的背面为未刻蚀的金属面，为接地面。

串馈线阵2由多个辐射单元20通过微带馈线21依次串联而成。串馈线阵2为对称结构，每个辐射单元长度相同，相邻辐射单元的间距相同，串馈线阵的宽度和切比雪夫分布激励幅度相关，中间单元激励幅度越大、宽度越宽，宽度由中间阵元向两侧逐渐减小。串馈线阵形成的E面方向图，具有等波纹低副瓣特性。串馈线阵和馈电网络通过渐变阻抗变换器22连接，实现阻抗匹配。每个串馈线阵2结构相同，并行等间距平行设置。馈电网络3对每个串馈线阵2进行并行馈电，馈电网络由多级T型网络级联组成。

本发明实施例中，所述馈电网络3包括一分二等功分比的第一级T型网络33和一分二不等功分比的第二级T型网络30级联。第一级输出端口301微带线宽度满足第一级T型网络输出端并馈阻抗要求，第二级的第一输出端口302和第二级的第二输出端口303为四分之一波长阻抗变换器(解释性的，宽度不同用于实现功分比)，和终端阻抗进行匹配且满足功率分配比设置。所述馈电网络3输出各端口相位由移相传输线31、弯折馈线32长度设置。所述馈电网络3由输入端口到并馈输出端口的功率幅度分配比和相位差满足H面平顶方向图设置，可以有效地增加天线水平面探测角度。

图2中，f₀为本发明实施例的工作频段的中心频率，绝对带宽覆盖了毫米波雷达天线所要求的工作频段，天线阵列的回波损耗大于10dB。

图3示出的馈电网络四个端口的功分幅度，端口幅度值S₂₁(S₅₁)低于S₃₁(S₄₁)3dB，满足平顶方向图激励幅度分布比1：2：2：1。

图4示出的馈电网络四个端口的功分相位，端口相位值S₂₁(S₅₁)高于S₃₁(S₄₁)102°，满足平顶方向图激励相位分布比∠0：∠-102：∠-102：∠0。

图5示出的天线阵列E面方向图旁瓣电平低，具有低副瓣特点。

图6示出的天线阵列H面方向图在-40°到+40°的波束范围内平均增益约为11dB，波动范围小于±0.5dB，半功率波束宽度98°，方向图具有平顶特性，探测角度大。

本发明提供的平顶方向图毫米波雷达天线中，串馈单元采用切比雪夫激励分布，五个辐射单元从上到下的电流幅度比为1：1.6085：1.9319：1.6085：1，实现低副瓣辐射方向图特性，并馈单元采用优化的平顶方向图激励分布，从左至右的激励幅度分布比为1：2：2：1，激励相位分布比为∠0：∠-102：∠-102：∠0，实现半功率波束宽度98°，具有探测角度大、副瓣较低的特点，能够实现远区宽范围探测。

综上所述，本发明实施例公开了一种平顶方向图毫米波雷达天线，所述毫米波雷达天线包括天线阵列部分和馈电功率分配器部分；具体的，所述天线阵列和功率分配器印刷在介质基板正面，介质基板背面为金属面，为接地面；天线阵列由m*n个辐射单元组成平面阵列，其中m个辐射单元串馈形成一个线阵，串联的m个单元组成的线阵远区辐射方向图为等副瓣，m个辐射单元馈电满足切比雪夫馈电幅度激励；n个线阵连接在一分n的功率分配器末端；一分n的功率分配器由多个一分二的T型结依次级联形成，实现n个线阵的不等分功率分配和相位差设计，满足n个线阵的辐射远区平顶方向图要求；天线阵列为对称结构，其中阵元个数m>2，n>2。本发明通过串馈线阵结构实现辐射方向图E面低副瓣，并馈结构实现H面平顶方向图特性，展宽水平方向探测角度，提高了雷达水平方向探测能力。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种平顶方向图毫米波雷达天线，其特征在于，包括：介质基板(1)，以及设置在介质基板正面的天线阵列和馈电网络(3)；所述天线阵列包括n个串馈线阵(2)，所述介质基板背面等效为接地面；

所述n个串馈线阵(2)通过所述馈电网络(3)并馈，每个并馈的串馈线阵(2)均具有组成平顶方向图的激励分布；每个串馈线阵(2)均由m个辐射单元(20)通过微带馈线(21)依次串联形成，串馈线阵(2)单元具有切比雪夫激励分布；

其中，所述串馈线阵(2)和所述馈电网络(3)之间设置有阻抗变换器，所述阻抗变换器用于对串馈线阵(2)和馈电网络(3)输出端口进行阻抗匹配；m≥2，n≥2；

其中，n个串馈线阵(2)完全相同且平行排布；所述天线阵列关于中心轴线对称，所述中心轴线平行于串馈线阵(2)；每个串馈线阵(2)中，相邻的辐射单元(20)的间距相等，辐射单元(20)的长度相同，辐射单元(20)的宽度与单元激励幅度值成正比；

所述馈电网络(3)为多个级联的T型网络；所述T型网络的两个输出端口连接四分之一波长阻抗变换线，阻抗特性满足功率分配比，长度满足相位值；

所述馈电网络(3)采用折叠结构；

所述馈电网络(3)中，n个并馈端口相位差由馈电网络(3)馈线长度不同实现，馈电网络(3)馈线弯折排布；

天线方向图在E面为低副瓣方向图，H面为平顶方向图。

2.根据权利要求1所述的一种平顶方向图毫米波雷达天线，其特征在于，所述辐射单元(20)为半波导波长矩形微带贴片天线。

3.根据权利要求2所述的一种平顶方向图毫米波雷达天线，其特征在于，相邻的辐射单元(20)间的间距为微带馈线(21)中传输的一个波导波长。

4.一种平顶方向图毫米波雷达系统，其特征在于，包括权利要求1至3中任一项所述的平顶方向图毫米波雷达天线。