CN114665272A - 一种微带天线、感知设备及微带天线的参数确定方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提出了一种微带天线、感知设备及微带天线的参数确定方法。微带天线，包括：馈线；至少一个贴片阵元，每个贴片阵元包括两个贴片，每个贴片阵元的两个贴片分别设于馈线的两侧，属于同一个贴片阵元的两个贴片的中心线之间的距离为第一间距，第一间距是根据目标频点对应的真空电磁波长度和贴片阵元的目标参数确定的，目标频点为微带天线的工作频率范围的中值频率。本申请以两个贴片作为一个贴片阵元，通过调节二元的贴片阵元的第一间距，改变俯仰维辐射贴片的间距，形成天线方位维波束偏转，使最大增益方向偏转至所需方向；可以针对不同的毫米波雷达应用场景，设计出对应波束偏转的梳状天线，提升雷达在不同角度范围内的探测性能。

Description

一种微带天线、感知设备及微带天线的参数确定方法
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种微带天线、感知设备及微带天线的参数确定方法。
背景技术
天线作为雷达的重要组成部分之一，毫米波雷达在各类场景中的多样化应用对天线的设计也提出了更高的要求。
传统毫米波雷达微带梳状天线主波束最大增益指向天线阵列的法线方向，天线的增益随着角度增加而逐渐降低，天线的增益与波束主瓣宽度设计上较难兼顾，所以雷达探测性能最佳的位置在阵列的法线方向附近，并随着角度增大探测性能逐渐降低。
在某些应用场景中，雷达安装位置与角度受限，实际关注的探测范围与雷达最佳探测性能的角度范围存在不一致，甚至超出雷达的探测范围的情况。
发明内容
本申请提出了一种微带天线、感知设备及微带天线的参数确定方法，至少可以解决现有技术中提升雷达探测性能较差的技术问题。
根据本申请的一方面，提供了一种微带天线，包括：
馈线；
至少一个贴片阵元，每个贴片阵元包括两个贴片，每个贴片阵元的两个贴片分别设于所述馈线的两侧，属于同一个贴片阵元的两个贴片的中心线之间的距离为第一间距，所述第一间距是根据目标频点对应的真空电磁波长度和所述贴片阵元的目标参数确定的，所述目标频点为所述微带天线的工作频率范围的中值频率。
在一种可能的实现方式中，所述目标参数包括所述贴片阵元的阵元振幅、中心位置和空间观察点角度。
在一种可能的实现方式中，所述第一间距不小于所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.15倍，并且不大于所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.5倍。
在一种可能的实现方式中，相邻贴片阵元的中心线之间的距离为第二间距，所述第二间距为所述目标频点对应的真空电磁波长度。
在一种可能的实现方式中，所述贴片的长度为所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.5倍，所述贴片的长度方向与所述馈线相垂直。
在一种可能的实现方式中，所述贴片的最大宽度不小于所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.05倍，并且不大于所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.23倍，所述贴片的宽度方向与所述馈线相平行。
在一种可能的实现方式中，属于同一个贴片阵元的两个贴片的宽度相同。
在一种可能的实现方式中，沿由所述馈线中部向所述馈线端部的方向，多个贴片阵元对应的贴片宽度递减。
在一种可能的实现方式中，还包括匹配段，所述匹配段的第一端与所述馈线连接，所述匹配段的第二端与射频芯片连接。
根据本申请的另一方面，提供了一种感知设备，包括如上所述的微带天线。
根据本申请的另一方面，提供了一种微带天线的参数确定方法，应用于微带天线，所述微带天线包括：馈线；至少一个贴片阵元，每个贴片阵元包括两个贴片，每个贴片阵元的两个贴片分别设于所述馈线的两侧；
所述方法包括：
确定贴片阵元的初始间距，所述初始间距用于表征一个贴片阵元的两个贴片的中心线之间的初始距离；
根据所述初始间距、目标频点对应的真空电磁波长度和所述贴片阵元的目标参数，确定阵因子，所述目标频点为所述微带天线的工作频率范围的中值频率；
根据所述阵因子确定方向图；
在所述方向图符合目标条件的情况下，将所述初始间距确定为第一间距，所述第一间距为属于同一个贴片阵元的两个贴片的中心线之间的距离；
在所述方向图不符合所述目标条件的情况下，返回所述确定贴片阵元的初始间距的步骤。
本申请中，以两个贴片作为一个贴片阵元，多个阵元形成最终的多元阵列微带天线，而两个贴片各自作为一个子阵元，形成一个二元子阵列，通过调节该二元子阵的第一间距，改变俯仰维辐射贴片的间距，形成天线方位维波束偏转，使最大增益方向偏转至所需方向；可以针对不同的毫米波雷达应用场景，设计出对应波束偏转的微带梳状天线，提升雷达在不同角度范围内的探测性能。本申请的微带天线在传统梳状微带天线设计基础上，实现了可控的波束偏转设计，可以应对毫米波的雷达的多样化应用场景，增强不同场景中所关注范围内的探测性能。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为根据一示例性实施例示出的一种微带天线的结构示意图；
图2为根据一示例性实施例示出的一种微带天线中贴片的位置示意图；
图3为根据一示例性实施例示出的一种微带天线中贴片处的剖面示意图；
图4为根据另一示例性实施例示出的一种微带天线的参数确定方法的流程示意图；
图5为根据一示例性实施例示出的一种微带天线的方向图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本申请的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本申请，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本申请的主旨。
本申请提出了一种微带天线、感知设备及微带天线的参数确定方法，至少可以解决现有技术中提升雷达探测性能较差的技术问题，本发明具体是以如下技术方案实现的。
结合图1至图3所示，本说明书实施例提供的一种微带天线，包括：
馈线10；
至少一个贴片阵元20，每个贴片阵元20包括两个贴片21，每个贴片阵元20的两个贴片21分别设于馈线10的两侧，属于同一个贴片阵元20的两个贴片21的中心线之间的距离为第一间距，第一间距是根据目标频点对应的真空电磁波长度和贴片阵元20的目标参数确定的，目标频点为微带天线的工作频率范围的中值频率。
本说明书实施例中，微带天线可以是微带贴片21天线。馈线10可以沿直线设置，馈线10可以起到导电的作用，电流可以经过馈线10流向各个贴片21。位于馈线10两侧且位置相近的两个贴片21形成一个二元的贴片阵元20。多个贴片阵元20可以沿着馈线10间隔设置；间隔设置是指贴片阵元20沿馈线10长度方向设置，并且贴片阵元20之间设有间距。属于同一贴片阵元20的两个贴片21的尺寸可以相同，属于不同贴片阵元20的贴片21的尺寸可以不同。
本说明书实施例中，属于同一贴片阵元20的两个贴片21之间的第一间距，是根据目标频点对应的真空电磁波长度和贴片阵元20的目标参数确定的。目标频点为微带天线的工作频率范围的中值频率，工作频率范围可以是天线正常工作时的频率范围，中值频率可以是工作频率范围的中间值对应的频率；真空电磁波长度可以是真空中的波的长度。不同贴片阵元20对应的目标参数可以不同，不同贴片阵元20对应的第一间距可以不同。
传统的梳状天线中，每个贴片21之间的距离为固定值——天线工作中心频点的半波长度，因此馈线10上的电场在每个相邻的阵元上相位都相差180°，电场方向相反，而相邻两个贴片21的上下位置相反，在空间上形成同相激励，组成梳状微带阵列天线，其波束指向为天线阵列平面的法线方向并随着角度增大探测性能逐渐降低，导致雷达的探测性能较差。
本说明书实施例中，以两个贴片21作为一个贴片阵元20，多个阵元形成最终的多元阵列微带天线，而两个贴片各自作为一个子阵元，形成一个二元子阵列(贴片阵元20)，通过调节该二元子阵(贴片阵元20)的第一间距，改变俯仰维辐射贴片21的间距，形成天线方位维波束偏转，使最大增益方向偏转至所需方向；可以针对不同的毫米波雷达应用场景，设计出对应波束偏转的梳状天线，提升雷达在不同角度范围内的探测性能。
本说明书实施例的微带天线在传统梳状微带天线设计基础上，实现了可控的波束偏转设计，可以应对毫米波的雷达的多样化应用场景，增强不同场景中所关注范围内的探测性能。
在一种可能的实现方式中，还包括匹配段40，匹配段40的第一端与馈线10连接，匹配段40的第二端与射频芯片连接。本说明书实施例中，匹配段40可以与馈线10的一个端部连接，匹配段40可以是微带线，匹配段40可以用于调节天线阻抗，优化天线辐射效率。
在一种可能的实现方式中，目标参数包括贴片阵元20的阵元振幅、中心位置和空间观察点角度。
本说明书实施例中，阵元振幅可以是贴片阵元20的方向图中的振幅(幅度)，贴片阵元20的方向图可以表征贴片阵元20的振幅和相位之间的关系，振幅可以表征能量的大小。中心位置可以是指贴片阵元20的中心线与馈线10起点之间的距离，馈线10起点可以是馈线10与匹配段40连接的节点，贴片阵元20的中心线是指贴片阵元20的两个贴片21所形成的几何体的中心线。空间观察点角度可以是空间观察点与微带天线的方向图之间在垂直方向上的夹角角度，空间观察点可以是空间中的任意一点。
本说明书实施例中，根据目标频点对应的真空电磁波长度、贴片阵元20的阵元振幅、中心位置和空间观察点角度确定第一间距，对第一间距进行优化，从而提升雷达在不同角度范围内的探测性能。
在一种可能的实现方式中，第一间距不小于目标频点对应的真空电磁波长度的0.15倍，并且不大于目标频点对应的真空电磁波长度的0.5倍。
本说明书实施例中，目标频点对应的真空电磁波长度的0.15倍＜第一间距＜目标频点对应的真空电磁波长度的0.5倍。进一步地，还可以根据实际需求，对第一间距进行微调，直至雷达天线的探测性能达到最优化。
在一种可能的实现方式中，相邻贴片阵元20的中心线之间的距离为第二间距，第二间距为目标频点对应的真空电磁波长度。
本说明书实施例中，第二间距可以是相邻的贴片阵元20的中心线之间的距离，任意相邻贴片阵元20的第二间距可以相同，优选地，第二间距均为目标频点对应的真空电磁波长度。贴片阵元20的中心线是指贴片阵元20的两个贴片21所形成的几何体的中心线。
在一种可能的实现方式中，贴片21的长度为目标频点对应的真空电磁波长度的0.5倍，贴片21的长度方向与馈线10相垂直。本说明书实施例中，微带天线的多个贴片21的长度可以相同。
在一种可能的实现方式中，贴片21的最大宽度不小于目标频点对应的真空电磁波长度的0.05倍，并且不大于目标频点对应的真空电磁波长度的0.23倍，贴片21的宽度方向与馈线10相平行。
在一种可能的实现方式中，属于同一个贴片阵元20的两个贴片21的宽度相同。
在一种可能的实现方式中，沿由馈线10中部向馈线10端部的方向，多个贴片阵元20对应的贴片21宽度递减。
本说明书实施例中，贴片阵元20的数量不受限制，属于不同贴片阵元20的贴片21宽度可以不同。在一个示例中，沿由馈线10中部向馈线10端部的方向，多个贴片阵元20对应的贴片21宽度递减，位于馈线10两端的贴片21的宽度最小，位于馈线10中部的贴片21的宽度最大，贴片21的最大宽度可取目标频点对应的真空电磁波长度的0.15倍。
结合图1所示，假设按照从图中左侧至右侧的方向，图中的八个贴片阵元20分别为第一个～第八个；第四个贴片阵元20和第五个贴片阵元20位于馈线10中部，第四个贴片阵元20的贴片21宽度和第五个贴片阵元20的贴片21宽度均为最大值；其他贴片阵元20的宽度可以根据副瓣电平的抑制要求进行相应的减小。
在一种可能的实现方式中，微带天线还包括介质层80和接地层90，贴片阵元20、馈线10和匹配段40均设于介质层80的第一侧，接地层90设于介质层80的第二侧。
本说明书实施例提供的微带天线不需要多天线布阵增加PCB面积，不需要增加移相器，避免牺牲雷达性能；可以在安装角度受限的情况下仍然能够保持较好探测性能；针对不同的毫米波雷达场景可以具体进行设计应用。将本说明书实施例提供的梳状的微带天线作为基本阵元，在方位维组成新的阵列天线，调整每个梳状微带天线之间的间距，可以改变新阵列的天线的阵元因子S，从而使波束在方位维的大角度上的能量汇聚更加集中，提升大角度的天线增益，使雷达在较大的角度上获得更好的探测性能。
此外，本说明书实施例还提供一种感知设备，感知设备包括如上所述的微带天线，其中，感知设备中微带天线的数量为至少一个，感知设备可以是雷达，感知设备可以安装于车辆。
结合图4至图5所示，本说明书实施例还提供一种微带天线的参数确定方法，应用于微带天线，微带天线包括：馈线10；至少一个贴片阵元20，每个贴片阵元20包括两个贴片21，每个贴片阵元20的两个贴片21分别设于馈线10的两侧；
本说明书实施例中，位于馈线10两侧且位置相近的两个贴片21形成一个二元的贴片阵元20。多个贴片阵元20可以沿着馈线10间隔设置，间隔设置是指贴片阵元20之间设有在馈线10的长度方向上的间隔。属于同一贴片阵元20的两个贴片21的尺寸可以相同，属于不同贴片阵元20的贴片21的尺寸可以不同。
微带天线的参数确定方法包括：
步骤S101：确定贴片阵元20的初始间距，初始间距用于表征一个贴片阵元20的两个贴片21的中心线之间的初始距离。
本说明书实施例中，初始间距可以是用户根据经验设置的一个初始值，初始间距可以在第一间距的大致范围内随机取值。
步骤S102：根据初始间距、目标频点对应的真空电磁波长度和贴片阵元20的目标参数，确定阵因子，目标频点为微带天线的工作频率范围的中值频率。
本说明书实施例中，阵列天线方向图函数F(θ,φ)可以用贴片阵元20f(θ,φ)方向图和阵因子S表征，其中N为贴片阵元20的数量，In为第n个阵元振幅，k＝2π/λ，λ为目标频点对应的真空电磁波长度，dn为第n个阵元的中心位置，θ为空间观察点角度。本说明书实施例中，阵元振幅可以是贴片阵元20的方向图中的振幅(幅度)，贴片阵元20的方向图可以表征贴片阵元20的振幅和相位之间的关系，振幅可以表征能量的大小。中心位置可以是指贴片阵元20的中心线与馈线10起点之间的距离，馈线10起点可以是馈线10与匹配段40连接的节点，贴片阵元20的中心线是指贴片阵元20的两个贴片21所形成的几何体的中心线。空间观察点角度θ可以是空间观察点与微带天线的方向图之间在垂直方向上的夹角角度，空间观察点可以是空间中的任意一点。φ可以是空间观察点与微带天线的方向图之间在水平方向上的夹角角度。
F(θ,φ)＝f(θ,φ)·S
Figure BDA0003523166170000081
本说明书实施例中，每个贴片阵元20均包括两个贴片21，将N等于2代入上述公式，可以得到S＝In(1+ejkdcosθ)；将步骤S101中的初始间距作为参数d，代入公式S＝In(1+ejkdcos θ)，可以得到初始间距对应的阵因子S。
步骤S103：根据阵因子确定方向图。
本说明书实施例中，阵因子可以影响微带天线方位维的方向图，使方位维波束最大增益方向发生偏移，形成偏波束的方向图。
步骤S104：在方向图符合目标条件的情况下，将初始间距确定为第一间距，第一间距为属于同一个贴片阵元20的两个贴片21的中心线之间的距离。
本说明书实施例中，目标条件可以为方向图符合实际需求，实际需求可以根据微带天线的应用场景进行确定。在方向图符合目标条件的情况下，将初始间距确定为第一间距；则后续可以根据第一间距制作微带天线的实体结构。
步骤S105：在方向图不符合目标条件的情况下，返回确定贴片阵元20的初始间距的步骤。
本说明书实施例中，在方向图不符合目标条件的情况下，说明初始间距不符合要求，则需要重新确定初始间距，根据新的初始间距对应的方向图判断新的初始间距是否符合要求，若仍不符合要求则再次重新确定初始间距，直至得到符合要求的初始间距。
结合图5可知，在一个示例中，最终得到的第一间距为目标频点对应的真空电磁波长度的0.18倍，在此情况下，方位维方向图波束向负角度偏转，天线最大增益方向在0.4°，方位维3dB波束范围为-25°～25°，通过调整间距1的距离，实现将天线最大增益方向偏转至-21°，方位维3dB波束范围：-54°～15°，天线在较大的负角度范围内仍然能够保持较高的增益，在较大的正角度范围内增益降低，具体角度增益下表所示：
Figure BDA0003523166170000101
本说明书实施例中，第一间距不小于目标频点对应的真空电磁波长度的0.15倍，并且不大于目标频点对应的真空电磁波长度的0.5倍；二元阵本身又作为整个梳状天线的阵元，而每个阵元之间的第二间距为目标频点对应的真空电磁波长度，电场方向相同，形成同相激励，由多个二元阵组成波束偏转的梳状微带阵列天线。
本说明书实施例中，以两个贴片21作为一个贴片阵元20，通过调节二元的贴片阵元20的第一间距，改变俯仰维辐射贴片21的间距，形成天线方位维波束偏转，使最大增益方向偏转至所需方向；可以针对不同的毫米波雷达应用场景，设计出对应波束偏转的梳状天线，提升雷达在不同角度范围内的探测性能。将本说明书实施例提供的梳状的微带天线作为基本阵元，在方位维组成新的阵列天线，调整每个梳状微带天线之间的间距，可以改变新阵列的天线的阵元因子S，从而使波束在方位维的大角度上的能量汇聚更加集中，提升大角度的天线增益，使雷达在较大的角度上获得更好的探测性能。
以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (11)

1.一种微带天线，其特征在于，包括：
馈线(10)；
至少一个贴片阵元(20)，每个贴片阵元(20)包括两个贴片(21)，每个贴片阵元(20)的两个贴片(21)分别设于所述馈线(10)的两侧，属于同一个贴片阵元(20)的两个贴片(21)的中心线之间的距离为第一间距，所述第一间距是根据目标频点对应的真空电磁波长度和所述贴片阵元(20)的目标参数确定的，所述目标频点为所述微带天线的工作频率范围的中值频率。
2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述目标参数包括所述贴片阵元(20)的阵元振幅、中心位置和空间观察点角度。
3.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述第一间距不小于所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.15倍，并且不大于所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.5倍。
4.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，相邻贴片阵元(20)的中心线之间的距离为第二间距，所述第二间距为所述目标频点对应的真空电磁波长度。
5.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述贴片(21)的长度为所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.5倍，所述贴片(21)的长度方向与所述馈线(10)相垂直。
6.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述贴片(21)的最大宽度不小于所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.05倍，并且不大于所述目标频点对应的真空电磁波长度的0.23倍，所述贴片(21)的宽度方向与所述馈线(10)相平行。
7.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，属于同一个贴片阵元(20)的两个贴片(21)的宽度相同。
8.根据权利要求7所述的微带天线，其特征在于，沿由所述馈线(10)中部向所述馈线(10)端部的方向，多个贴片阵元(20)对应的贴片(21)宽度递减。
9.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，还包括匹配段(40)，所述匹配段(40)的第一端与所述馈线(10)连接，所述匹配段(40)的第二端与射频芯片连接。
10.一种感知设备，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的微带天线。
11.一种微带天线的参数确定方法，应用于微带天线，其特征在于，所述微带天线包括：馈线；至少一个贴片阵元，每个贴片阵元包括两个贴片，每个贴片阵元的两个贴片分别设于所述馈线的两侧；
所述方法包括：
确定贴片阵元的初始间距，所述初始间距用于表征一个贴片阵元的两个贴片的中心线之间的初始距离；
根据所述初始间距、目标频点对应的真空电磁波长度和所述贴片阵元的目标参数，确定阵因子，所述目标频点为所述微带天线的工作频率范围的中值频率；
根据所述阵因子确定方向图；
在所述方向图符合目标条件的情况下，将所述初始间距确定为第一间距，所述第一间距为属于同一个贴片阵元的两个贴片的中心线之间的距离；
在所述方向图不符合所述目标条件的情况下，返回所述确定贴片阵元的初始间距的步骤。
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