CN114725655A - 一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列 - Google Patents

一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列 Download PDF

Info

Publication number
CN114725655A
CN114725655A CN202210277420.9A CN202210277420A CN114725655A CN 114725655 A CN114725655 A CN 114725655A CN 202210277420 A CN202210277420 A CN 202210277420A CN 114725655 A CN114725655 A CN 114725655A
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
array
omega
impedance
sidelobe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210277420.9A
Other languages
English (en)
Inventor
王斌
向臻
郝宏刚
尹波
罗伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University of Post and Telecommunications
Original Assignee
Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University of Post and Telecommunications filed Critical Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority to CN202210277420.9A priority Critical patent/CN114725655A/zh
Publication of CN114725655A publication Critical patent/CN114725655A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0075—Stripline fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，属于汽车电子系统收发技术领域。该天线阵列包括64个矩形微带贴片单元构成的8×8天线阵列、用于调节单元输入阻抗的阻抗变换线和单元馈电的微带馈电网络；基于切比雪夫阵列综合理论，结合电路模型，计算了所需的天线单元的阻抗值；四种不同输入阻抗的天线单元通过合理的排列，组成了8×8的天线阵列；天线单元按照一个介质波长的间距进行排列；通过T型结构连接各个天线单元，实现天线单元馈电。本发明降低了微带低副瓣阵列天线设计中馈电网络设计的复杂度，并保证了天线阵列低副瓣的辐射性能。

Description

一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列
技术领域
本发明属于汽车电子系统收发技术领域，涉及一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列。
背景技术
随着汽车电子的飞速发展，汽车辅助驾驶系统对雷达传感器的需求逐渐增加，天线作为传统雷达传感器中不可或缺的收发关键性器件，其性能优劣直接影响系统的整体性能。由于微波、毫米波天线具有低成本、易集成等优势，因此被广泛应用在汽车辅助驾驶系统中。在这些天线的设计过程中，不可避免地需要对其辐射方向图进行优化设计，使得天线辐射性能达到最佳。而对天线副瓣电平抑制是优化其辐射方向图的一个重要研究点。当前，天线阵列副瓣电平抑制大多采用指数型、泰勒型、二项式型、切比雪夫型等电流分布方式，当阵列规模增大时，其馈电网络的设计变得更加复杂、难以实现。同时，也可以采用非周期布阵的方式实现天线副瓣电平的抑制，但是这种方案会使得设计过程难度相对较大。因此，提出一种相对简单的低副瓣天线阵列设计方法具有较高的工程价值。
目前，低副瓣电平的微带天线阵列研究主要集中在天线阵元电流分布和天线阵元位置分布上，阵元电流分布主要有指数电流分布、泰勒电流分布、二项式电流分布和切比雪夫电流分布；阵元位置分布主要集中在稀疏阵列和稀布阵列上。采用阵元电流分布的一般思路是，首先通过阵元数和副瓣电平的预设值计算出单元上的电流分布，再设计出一款具体频段的天线单元，然后将单元进行组阵分析，最后为阵列设计相应的馈电网络。该方案虽然能够满足设计要求，但是其难点在于馈电网络的设计相对复杂，难以实现每个单元之间的功率分配并确保相位一致。因此，提出一种相对简单并且能够实现低副瓣电平的天线阵列设计方法具有十分重要的学术价值和工程意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，通过设计插入式馈电结构来减小天线单元的输入阻抗，设计阻抗变换线来调整天线单元的输入阻抗，设计线阵和面阵的阻抗匹配网络来对天线单元馈电。与现有的天线阵列相比，该天线阵列提供了一种新的设计思路，简化了馈电网络的设计，为应用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列设计提供了可行方案。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，包括61Ω天线单元、100Ω天线单元、110Ω天线单元、176Ω天线单元、线阵阻抗匹配网络、面阵馈电网络、介质基板、金属地板；
所述的61Ω天线单元、100Ω天线单元、110Ω天线单元和176Ω天线单元，均是由矩形贴片、插入式馈电结构和阻抗变换线构成，四种不同输入阻抗的单元按照100Ω、61Ω、110Ω、 176Ω、176Ω、110Ω、61Ω、100Ω的方式组成线阵，阵元间距选取为一个介质波长，避免栅瓣产生的同时也简化了馈电网络的设计。
所述的线阵阻抗匹配网络是由特性阻抗为100Ω的微带传输线和8个四分之一波长阻抗变换线构成，其目的在于将天线单元和主馈线进行阻抗匹配，消除馈线上能量的反射损耗。
所述的面阵馈电网络是由特性阻抗为100Ω的微带传输线、8个由微带线构成的功率分配结构以及8个四分之一波长阻抗变换线所构成，其目的在于将8个线阵连接并进行合适的功率分配以及和主馈线进行阻抗匹配。
所述的介质基板选用罗杰斯4350B作为天线阵列和金属地板的载体，其厚度选定为 0.508mm，相对介电常数为3.66。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的窄波束低副瓣天线阵列参考电路结构设计了不同的天线单元，这种方法简化了天线阵列馈电网络设计的复杂度，并且能够避免大阻抗变换比的产生。
2)本发明的窄波束低副瓣天线阵列单元采用插入式馈电结构和天线单元阻抗变换结构，其中插入式馈电结构能够有效降低微带贴片天线的边缘阻抗，使得天线单元的输入阻抗更易调节；单元阻抗变换结构的引入可以简化不同输入阻抗天线单元的设计。两种结构结合的方式可以较好地保证天线整体的辐射性能，并且能极大程度地降低设计复杂度。
3)本发明的窄波束低副瓣天线阵列采用切比雪夫电流分布，其阵元间距采用一个介质波长，使得天线的副瓣电平得到有效抑制，波束宽度被控制在15°以内，并且避免了栅瓣的产生，简化了线阵馈电网络的设计。
4)本发明的窄波束低副瓣天线阵列采用由微带线构成的阻抗匹配网络和功率分配网络，有效的给天线单元提供了同相且幅度满足切比雪夫电流比的电流分布，实现了天线阵列的窄波束低副瓣辐射性能。
5)本发明的窄波束低副瓣天线阵列采用微带贴片天线阵列形式，减小了天线的体积，天线阵列印制在厚度为0.508mm的Ro4350B薄板上，方便与射频前端电路进行集成化设计。
6)本发明的窄波束低副瓣天线阵列体积较小，易于共型和集成，并且辐射性能良好，为当前汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线设计提供了一种解决方案。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为天线单元阻抗和馈线阻抗的结构示意图。
图2为天线单元结构示意图。
图3为61Ω天线单元的S11与辐射方向图仿真结果。
图4为100Ω天线单元的S11与辐射方向图仿真结果。
图5为110Ω天线单元的S11与辐射方向图仿真结果。
图6为176Ω天线单元的S11与辐射方向图仿真结果。
图7为8元直线阵列的仿真结构图。
图8为8元直线阵列S11和辐射方向图仿真结果。
图9为8×8的阵列天线仿真结构图。
图10为阵列天线S11和辐射方向图的仿真结果。
图11为8×8阵列天线的实物图。
图12为天线仿真的S11和增益与测试的S11和增益的结果对比图。
图13为天线辐射方向图的仿真和测试结果对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图13，本发明设计了一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，包括：61Ω天线单元、100Ω天线单元、110Ω天线单元、176Ω天线单元、线阵阻抗匹配网络、面阵馈电网络、介质基板、金属地板。
图1为天线单元阻抗和馈线阻抗的结构示意图，基于8元中心馈电的切比雪夫电流分布，设置其电流比为0.35：0.57：0.84：1：1：0.84：0.57：0.35，由于其具有对称性，因此可以选取一半的阵元进行分析。图中R1-R4为天线的输入阻抗，Z1-Z4为四分之一波长阻抗变换线，主馈线采用特性阻抗为100Ω微带线，根据单元电流分布可求得所需天线单元的输入阻抗分别为：R1＝100Ω，R2＝61Ω，R3＝110Ω，R4＝176Ω。
图2为天线单元结构示意图，单元采用矩形微带贴片，利用插入式馈电减小天线的输入阻抗，根据所需的单元阻抗，利用阻抗变换线改变天线的阻抗值，进而满足单元对阻抗的要求。
图3～图6分别为输入阻抗为61Ω、100Ω、110Ω和176Ω天线单元的S11与辐射方向图仿真图，仿真结果表明，天线单元在23.5-24.5GHz(1GHz)频段内S11小于-10dB，在24.12GHz 处S11小于-35dB，端口匹配良好，在24.12GHz处的主瓣增益为6.8dBi，辐射方向图未发生明显畸变；图7中的表1为四种不同输入阻抗单元的结构参数。
图7为8元直线阵列的仿真结构图，利用设计好的四种不同天线单元，用微带传输线和阻抗匹配网络将其连接，利用HFSS仿真得到图8所示的仿真结果，仿真结果表明，该8元直线阵列在23.2GHz-24.8GHz(2GHz)频段内S11小于-10dB，在24.12GHz处S11小于-30dB，端口匹配良好。在Phi＝90°方向上，主瓣增益为14.7dBi，主瓣宽度为12.5°，副瓣电平为 -24.7dB，实现了较好的低副瓣特性。并且辐射方向图在Phi＝0°方向上未发生明显恶化。
图9为8×8的阵列天线仿真结构图，该阵列天线由64个单元构成，每个单元形状为矩形，并在单元馈电处采用插入式馈电。该天线阵列被印制在厚度为0.508mm的介质基板上，介质基板采用Ro 4350B薄板，相对介电常数为3.66。采用同轴线在天线中心对天线进行馈电。
图10为阵列天线的仿真结果图，天线在24.12GHz处的S11小于-42dB，表明天线匹配良好。天线的阻抗带宽为1.04GHz(23.54GHz-25.58GHz，-10dB)；在Phi＝0°方向上，天线主瓣宽度为15.5°，增益为21.9dBi，副瓣电平为-27.9dB；在Phi＝90°方向上，天线的主瓣宽度为12.5°，增益为21.8dBi，副瓣电平为-24.5dB。仿真结果显示，使用上述方法能实现微带天线阵列较低的副瓣电平的设计。
图11为所设计天线阵列的样品实物图。
图12为天线S11和增益仿真与测试结果对比图。测试结果表明，天线的阻抗带宽为940MHz(23.62GHz-24.56GHz，-10dB)。测试的阻抗带宽相比于仿真的阻抗带宽略有下降(下降了100MHz)，同时，天线的谐振频率向低频移动了40MHz。天线增益的测试结果在仿真结果附近，存在较小的波动，其结果和仿真结果基本保持一致，并且相对稳定。
图13为天线辐射性能的仿真和测试结果对比图。测试结果表明，在Phi＝0°方向上(左图)和Phi＝90°方向上(右图)，天线的副瓣电平有略微的升高，但从仿真和测试结果的对比上来看，测试的整体性能和仿真性能基本一致，表明该设计方法的正确性和有效性。

Claims (6)

1.一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，其特征在于，包括61Ω天线单元、100Ω天线单元、110Ω天线单元、176Ω天线单元、线阵阻抗匹配网络、面阵馈电网络、介质基板、金属地板；
所述的61Ω天线单元、100Ω天线单元、110Ω天线单元和176Ω天线单元，均是由矩形贴片、插入式馈电结构和阻抗变换线构成，四种不同输入阻抗的单元按照100Ω、61Ω、110Ω、176Ω、176Ω、110Ω、61Ω、100Ω的方式组成线阵，阵元间距选取为一个介质波长，避免栅瓣产生的同时也简化了馈电网络的设计；
所述的线阵阻抗匹配网络是由特性阻抗为100Ω的微带传输线和8个四分之一波长阻抗变换线构成，其目的在于将天线单元和主馈线进行阻抗匹配，消除馈线上能量的反射损耗；
所述的面阵馈电网络是由特性阻抗为100Ω的微带传输线、8个由微带线构成的功率分配结构以及8个四分之一波长阻抗变换线所构成，其目的在于将8个线阵连接并进行合适的功率分配以及和主馈线进行阻抗匹配；
所述的介质基板选用罗杰斯4350B作为天线阵列和金属地板的载体，其厚度选定为0.508mm，相对介电常数为3.66。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，其特征在于，通过电路结构计算了所需的天线单元的阻抗值，采用阻抗变换线对天线单元的阻抗进行调整，获得了四种不同输入阻抗的天线单元，四种单元按照100Ω、61Ω、110Ω、176Ω、176Ω、110Ω、61Ω、100Ω的方式组成线阵，实现线阵低副瓣设计。
3.根据权利要求1所述的一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，其特征在于，线阵阻抗匹配网络只需要考虑单元与主馈线间的阻抗匹配，不需要考虑功率分配问题，简化了线阵馈电网络的设计。
4.根据权利要求1所述的一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，其特征在于，天线单元间的间距设置为一个介质波长，控制了每个单元上馈电相位相同，仅存在馈电幅度的差异，实现了低副瓣的辐射性能。
5.根据权利要求1所述的一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，其特征在于，面阵采用微带线构成的功率分配网络和阻抗匹配网络，为8个线阵提供切比雪夫电流分布，实现了面阵的低副瓣辐射特性。
6.根据权利要求1所述的一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，其特征在于，天线阵列印制在厚度为0.508mm的Ro4350B薄板上，其相对介电常数为3.66。
CN202210277420.9A 2022-03-20 2022-03-20 一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列 Pending CN114725655A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210277420.9A CN114725655A (zh) 2022-03-20 2022-03-20 一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210277420.9A CN114725655A (zh) 2022-03-20 2022-03-20 一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114725655A true CN114725655A (zh) 2022-07-08

Family

ID=82238276

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210277420.9A Pending CN114725655A (zh) 2022-03-20 2022-03-20 一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114725655A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115275589A (zh) * 2022-08-16 2022-11-01 四川大学 二维切比雪夫馈电网络全耦合谐振环天线单元及阵列天线

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110112546A (zh) * 2019-04-17 2019-08-09 电子科技大学 一种2450MHz接收整流阵列天线
CN110165398A (zh) * 2019-05-27 2019-08-23 长安大学 Ka波段驻波式串馈微带线阵天线、面阵天线及制作方法
CN111525244A (zh) * 2020-06-03 2020-08-11 重庆邮电大学 一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110112546A (zh) * 2019-04-17 2019-08-09 电子科技大学 一种2450MHz接收整流阵列天线
CN110165398A (zh) * 2019-05-27 2019-08-23 长安大学 Ka波段驻波式串馈微带线阵天线、面阵天线及制作方法
CN111525244A (zh) * 2020-06-03 2020-08-11 重庆邮电大学 一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张德保 等: "应用于24GHz物位雷达的微带阵列天线设计", 《电子元件与材料》, vol. 39, no. 3, 26 March 2020 (2020-03-26), pages 76 - 81 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115275589A (zh) * 2022-08-16 2022-11-01 四川大学 二维切比雪夫馈电网络全耦合谐振环天线单元及阵列天线
CN115275589B (zh) * 2022-08-16 2024-04-09 四川大学 全耦合谐振环天线单元及二维切比雪夫网络馈电阵列天线

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Alhalabi et al. Differentially-fed millimeter-wave Yagi-Uda antennas with folded dipole feed
CN110323575A (zh) 电磁超材料加载的双极化强耦合超宽带相控阵天线
CN112310663B (zh) 一种基于多模谐振的宽带低剖面双频多波束贴片天线
CN102800956A (zh) 集成式巴伦馈电的宽带双极化天线
CN1941506B (zh) 非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线
CN114614248B (zh) 加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线
CN108598691B (zh) 基于平板长槽天线的宽带宽角扫描相控阵天线
EP2304846B1 (en) Antenna element and method
CN113764879A (zh) 一种基于阻性超表面的低剖面超宽带天线
CN108306087B (zh) 一种双频传输线及其双频漏波天线
CN113506988A (zh) 基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线
CN117039421A (zh) 一种车载毫米波雷达矩形微带天线阵列的设计方法
CN114725655A (zh) 一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列
CN113193384B (zh) 一种阵列天线
CN112201952B (zh) 一种宽带大倾角低副瓣微带阵列天线
CN109659700B (zh) 一种周期性短路钉微带漏波天线
CN115084872B (zh) 一种超宽带宽扫描角紧耦合相控阵天线
CN110635233A (zh) 一种用于etc系统的低副瓣透镜阵列天线
CN209948058U (zh) 基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线
Sun et al. 1X4 microstrip antenna Array based on SICL transmission line technology
Chen et al. A Series-Fed Horizontally-Polarized Patch Antenna Array
CN111082218A (zh) 共口径复合天线单元及相控阵天线
CN215579073U (zh) 扇形波束微带天线阵和雷达
CN114336019B (zh) 一种具有共辐射体的5g大频率比波束扫描天线
CN219677561U (zh) 一种大频率比宽双频5g天线

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination