CN114784499A - 一种波束偏转天线、天线阵列、雷达传感器和车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种波束偏转天线、天线阵列、雷达传感器和车辆，波束偏转天线包括：介质层和设置于所述介质层两侧的金属层和接地层，所述金属层包括第一辐射贴片和馈电部；所述第一辐射贴片的长侧边的长度基于所述波束偏转天线的工作波长确定，所述第一辐射贴片的短侧边的长度小于所述长侧边的长度；所述馈电部耦接于所述第一辐射贴片的长侧边的中心位置与一短侧边之间，所述馈电部用于将高频信号传输至所述第一辐射贴片，或者用于传输所述第一辐射贴片接收的空间辐射信号。上述技术方案，馈电部实现了对第一辐射贴片的偏馈，第一辐射贴片上的电流分布实现带有多个辐射主方向的电磁波的转换，在有效减小天线尺寸的情况下实现了波束偏转。

Description

一种波束偏转天线、天线阵列、雷达传感器和车辆
技术领域
本申请实施例涉及天线技术，尤其涉及一种波束偏转天线、天线阵列、雷达和车辆。
背景技术
随着科学技术的日益发展，智能驾驶技术开始在日常生活中普及。传感器在智能驾驶中发挥着关键的作用，传感器是汽车的智能系统获取外界的信息的渠道。而不同的应用场景对传感器的需求也不尽相同，汽车角雷达由于安装位置和探测功能的需求，往往需要实现一定角度的波束偏转。
传统的波束偏转方案是使用多串天线赋形，这种方式需要引入功分器以实现多串天线的波束赋形，功分器的引入增加角雷达设计的复杂度，且会引入额外的损耗。
发明内容
本申请提供一种波束偏转天线、天线阵列、雷达传感器和车辆，以较为简单的结构实现波束偏转。
第一方面，本申请实施例提供了一种波束偏转天线，包括：介质层和设置于所述介质层两侧的金属层和接地层，所述金属层包括第一辐射贴片和馈电部；
所述第一辐射贴片的长侧边的长度基于所述波束偏转天线的工作波长确定，所述第一辐射贴片的短侧边的长度小于所述长侧边的长度；
所述馈电部耦接于所述第一辐射贴片的长侧边的中心位置与一短侧边之间，所述馈电部用于将高频信号传输至所述第一辐射贴片，或者用于传输所述第一辐射贴片接收的空间辐射信号。
第二方面，本申请提供一种天线阵列，包括：多个如第一方面任一所述的波束偏转天线，各所述波束偏转天线的各所述馈电部连接。
第三方面，本申请实施例还提供了一种雷达传感器，包括：天线，与所述天线连接的信号收发装置，用以通过所述天线中的发射天线发射探测信号波，以及通过所述天线中的接收天线接收回波信号波，以输出对所述回波信号波进行处理后的基带数字信号；所述天线包括如第一方面任一所述的波束偏转天线或者第二方面任一所述的天线阵列；其中，所述回波信号波是所述探测信号波经探测物反射形成的。
第四方面，本申请实施例还提供了一种车辆，包括：车辆壳体、如第三方面所述的雷达传感器和车辆控制系统；其中，所述车辆壳体设有至少一个装配孔；所述雷达所包含的天线通过所述装配孔发出探测信号波和接收回波信号波；所述雷达传感器根据所述探测信号波和回波信号波测量车辆与周围环境中预设辐射角度范围内的障碍物的测量信息，并予以输出；所述车辆控制系统与所述雷达传感器连接，用于根据所述测量信息提供警示信息和/或控制车辆驱动系统执行安全紧急操作。
第五方面，本申请实施例还提供了一种天线，包括：贴片式的辐射结构，包括：第一辐射区域和第二辐射区域；馈电结构，从所述辐射结构的馈电位置向所述辐射结构馈电；其中，所述第一辐射区域和第二辐射区域是根据所述馈电位置的馈电而使得所述辐射结构中的电流分布不同所确定的；在所述馈电结构的激励下，所述第一辐射区域和第二辐射区域：产生预设辐射角度范围的探测信号波。
本申请实施例提供一种波束偏转天线，包括：介质层和设置于所述介质层两侧的金属层和接地层，所述金属层包括第一辐射贴片和馈电部；所述第一辐射贴片的长侧边的长度基于所述波束偏转天线的工作波长确定，所述第一辐射贴片的短侧边的长度小于所述长侧边的长度；所述馈电部耦接于所述第一辐射贴片的长侧边的中心位置与一短侧边之间，所述馈电部用于将高频信号传输至所述第一辐射贴片，或者用于传输所述第一辐射贴片接收的空间辐射信号。上述技术方案，耦接于第一辐射贴片的长侧边的中心位置与一短侧边之间的馈电部和第一辐射贴片进行连接馈电或者耦合馈电，实现了对第一辐射贴片的偏馈，第一辐射贴片上的电流分布，实现带有多个辐射主方向的电磁波的转换，在有效减小天线尺寸的情况下实现了波束偏转。
本申请的这些方面或其他方面在以下的描述中会更加简明易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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是一种雷达的辐射角度-增益分布图；
图2为一种天线结构示意图；
图3为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的侧视图；
图4为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的结构示意图；
图5为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的电流分布图；
图6为图4提供的一种波束偏转天线的回波损耗示意图；
图7为图4提供的一种波束偏转天线的辐射方向图；
图8为图4提供的一种波束偏转天线的交叉极化比-辐射方向示意图；
图9为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的另一种结构示意图；
图10为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的另一种结构的电流分布图；
图11为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的又一种结构示意图；
图12为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的又一种结构的电流分布图；
图13为图11提供的一种波束偏转天线的等效辐射源示意图；
图14为图11提供的一种波束偏转天线的回波损耗示意图；
图15为图11提供的一种波束偏转天线的辐射方向图；
图16为本申请实施例一提供的另一种波束偏转天线的一种结构示意图；
图17为本申请实施例一提供的另一种波束偏转天线的另一种结构示意图；
图18为本申请实施例二提供的一种天线阵列的示意图；
图19为本申请实施例二提供的另一种天线阵列的示意图；
图20为本申请实施例二提供的又一种天线阵列的示意图；
图21为本申请实施例三提供一种雷达传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本申请的说明书以及附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，或者用于区别对同一对象的不同处理，而不是用于描述对象的特定顺序。
此外，本申请的描述中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，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、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选的还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选的还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
术语“耦接的”或“耦接”根据使用该术语的上下文可以具有几种不同的含义。例如，术语耦接可以具有机械耦接或电气耦接的含义。如本文所使用的，术语“耦接的”或“耦接”可以表示两个元件或器件可以彼此直接连接或通过一个或多个中间元件或器件经由电气元件、电信号或机械元件(例如但不限于，举例来说，电线或电缆，这取决于具体应用)彼此连接。本文中所述的耦接举例包括：直接的电连接、电感应连接、或光耦连接等。例如，利用半导体制造工艺中所使用的连接方式实现两个电器件之间的电连接。又如，利用光耦组件、或电感感应组件等非接触的连接方式实现两个电器件之间的信号连接。再如，利用芯片引脚和插槽之间的连接方式辅助两个电器件之间电连接或信号连接等。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。此外，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。
天线通过电磁转换可以将信号发射器所提供的如射频信号等变化的电信号转换为电磁波辐射到自由空间，还可以将自由空间中特定频段的电磁波转换成变化的电信号，输出至信号接收器。
为了实现电磁转换，天线包括辐射部分和馈电部分。馈电部分设置于信号收发机(如信号发射器和/或信号接收器)和辐射部分之间，用来传输变化的电信号。例如，馈电部分将信号发生器所输出的变化电信号传输至辐射部分，使得辐射部分用于利用变化的电信号来产生电磁波。又如，辐射部分将来自自由空间的电磁波转换为变化的电信号，并通过馈电部分传输至信号接收器。
为了减小天线的尺寸，馈电部分可利用集成电路结构所能构建的多种结构方式与辐射部分电连接或者耦接。具体而言，辐射部分通常以图案化形式实现于集成电路中的金属层。辐射部分包括至少一个辐射结构。例如，辐射结构包括：利用图案化的金属层所形成的开路结构，以产生电磁波。馈电结构耦接于信号收发机(如信号发射器和/或信号接收器)和辐射结构之间，用来传输变化的电信号。例如，馈电结构将信号发生器所输出的变化电信号传输至辐射结构，使得辐射结构用于利用变化的电信号来产生电磁波。又如，辐射结构将来自自由空间的电磁波转换为变化的电信号，并通过馈电结构传输至信号接收器。为了减小天线的整体尺寸，使结构更紧凑，馈电结构可利用集成电路结构所能构建的多种结构方式与辐射结构耦接。馈电结构可采用同轴传输结构、或微带传输结构。例如，馈电结构包含微带线。又如，馈电结构包括：用于实现跨层的过孔，以及位于过孔中的信号线，其中，过孔的高度不高于信号线的长度，以使得信号线与辐射结构连接；该过孔的孔壁可涂有金属层，以与金属地层连接，信号线与过孔无接触。馈电结构还可以采用感应耦合的方式实现向辐射部分馈电的目的。例如，利用谐振腔、或电场感应的方式激励辐射部分表面产生变化的电信号，进而使得辐射部分产生电磁波。
天线可通过设置在芯片的封装体，或者与芯片集成在同一PCB板上，而实现天线与芯片的集成。其中，芯片为包含信号发射器和/或信号接收器的半导体元件。为了便于描述，本申请任一示例中所提到的天线为天线阵列中的单路天线，如发射天线Tx或接收天线Rx。其中，天线阵列可包含至少一路天线。天线阵列还可以包含多路天线。例如，天线阵列包含多路接收天线Rx，或多路发射天线Tx。又如，天线阵列包含一路接收天线Rx，和一路发射天线Tx。再如，天线阵列包含多路接收天线Rx，和一路发射天线Tx。有关于天线阵列的技术方案，在后续示例中详述。
随着汽车自动辅助驾驶的技术应用，车辆的控制系统需获取车辆的转角附近环境中的障碍物的物理量，以根据相应的周围环境来提供辅助驾驶功能、或警示提示等。为此，对应的雷达需要提供符合控制系统相应功能的角度范围、和测量距离范围内所探测到的测量信息(即物理量)。
雷达对天线的辐射角度范围，以及该辐射角度范围内的辐射方向提出了要求。例如，为适用于汽车自动驾驶中所需的测量方向的需要，雷达的辐射角度范围举例不少于以辐射方向90°的范围。为此，一些雷达所配置的天线在如±45°方向所辐射的能量满足信号接收器对回波信号的检测需要。例如，形成如图1所示的辐射角度-增益(Angle-Gain)分布图，其中，实线所表示的方位角(Azimuth)在能量不低于3dB的范围内，其对应的辐射角度范围约为±40°。
需要说明的是，上述汽车示例仅为举例。针对一些自主移动机器人，根据其应用环境、和/或装配位置，该辐射角度范围可能更大或更小。
图2为一种天线结构示意图，如图2所示，单路天线An_i中的每个辐射结构rad_k的窄边与相应的馈电结构feed_k连接，以使相应辐射结构中分布同向电流。利用各辐射结构中同向电流的变化而产生探测信号波。该种天线结构需要多串如图2所示的天线并通过功率分配器来调整功率以及相位的配比，进而提供符合辐射角度范围需求的电磁波。
然而，受个体传感器制造的差异化因素影响，上述天线的数量过少不利于得到符合预设辐射角度范围的电磁波，而天线数量过多则不利于实现天线尺寸的大幅减少。仍以图1为例，若实现宽波束或波束偏转的波形，该种天线需要功率分配器进行功率和相位配合。然而功率分配器的精度往往受到加工制造的精度影响，从而降低了天线的整体精度。同时，多数量的天线也不利于减小天线尺寸的预期。
为了进一步减小天线的尺寸并提高单路天线的辐射效率，本申请提供一种波束偏转天线，通过改变辐射结构中电流分布，利用单个辐射结构所产生的不同电流方向而产生较宽波束的电磁波。
下面将结合实施例一对波束偏转天线进行详细的描述。
实施例一
图3为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的侧视图，图4为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的结构示意图，如图3和图4所述，波束偏转天线包括：介质层310和设置于所述介质层310两侧的金属层320和接地层330，所述金属层320包括第一辐射贴片3210和馈电部3220；所述第一辐射贴片3210的长侧边的长度基于所述波束偏转天线的工作波长确定，所述第一辐射贴片3210的短侧边的长度小于所述长侧边的长度；所述馈电部3220耦接于所述第一辐射贴片3210的长侧边的中心位置与一短侧边之间，所述馈电部3220用于将高频信号传输至所述第一辐射贴片3210，或者用于传输所述第一辐射贴片3210接收的空间辐射信号。其中，第一辐射贴片3210为一种贴片式的辐射结构。所述馈电部3220为辐射结构中与辐射结构馈电的硬件部分，其与微带线等射频信号的传输结构耦接，以供辐射结构实现电磁能量转换。
具体地，金属层320包括辐射结构和馈电结构，辐射结构可以为图案金属层，具体可以为第一辐射贴片3210，馈电结构可以为馈电部3220。第一辐射贴片3210举例为包络轮廓为矩形的矩形辐射贴片，其包括两个长侧边和两个短侧边，长侧边的长度W可以基于波束偏转天线的工作波长确定，长侧边的长度W可以为工作波长λg；短侧边的长度L小于长侧边的长度W，短侧边的长度L举例为工作波长的一半，即1/2λg。
需要说明的是，长侧边和短侧边基于沿第一辐射贴片3210的包络轮廓边所形成的矩形形状而设定的边。例如，长侧边对应于辐射结构中辐射边，短侧边对应于辐射结构中的非辐射边。
一种实施方式中，其中一个长侧边的中心位置的中心位置与一短侧边之间设置有馈电部3220，馈电部3220与第一辐射贴片3210电连接，使得馈电部3220以偏馈方式实现对第一辐射贴片3210的馈电。
图5为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的电流分布图，如前结果所述的波束偏转天线在基于馈电部将高频信号传输至第一辐射贴片，或者在基于馈电部传输第一辐射贴片接收的空间辐射信号的过程中，电流分布如图5所示。此时，天线可以工作在高阶模(如TM11模)。其中，TM11模的远场方向图在xoz平面是中间零陷，两边凸起的形状极化方向是y方向。
便于描述，根据辐射场的相位所关联的第一辐射贴片的电流相位，如图4中所示，第一辐射贴片包含第一辐射区域A和第二辐射区域B，如图4和图5所示，第一辐射区域A和第二辐射区域B的电流方向不同且电流分布的面积也不同。受馈电部偏向第二辐射区域B的影响，形成辐射增益不对称的两个辐射主方向。
根据馈电结构的馈电而使得辐射结构中的电流分布不同，电流分布是在高频信号的馈电过程中在辐射结构表面所产生的电荷流动，其包括：电流方向、电流密度、电流分布面积中的至少一种等。由此，第一辐射区域和第二辐射区域可以是基于图案化的金属层上设置的硬件结构而使得辐射结构整体的电流分布不同，所确定的。第一辐射区域和第二辐射区域还可以是依据辐射结构的尺寸与波长之间关系而使得电流分布不同所确定的。
以第一辐射贴片的长侧边进行馈电，第一辐射贴片中的电流方向不再是同向的，而是产生了不同的电流分布。即形成第一辐射区域的电流分布不同于第二辐射区域的电流分布。受馈电部与长侧边的相对位置关系的影响，所对应的第一辐射区域和第二辐射区域的电流分布不仅改变电流方向，还可以改变两个区域的电流分布面积等。与第一辐射区域或第二辐射区域内所设置的其他结构有关，两个区域的电流分布还可能具有电流方向和电流密度不同等。
为使得第一辐射贴片激励成如TM11模式，馈电部与第一辐射贴片中长侧边的中心位置之间的偏馈距离d大于长侧边的长度的四分之一，即d＞1/4λg。例如，所述馈电部亦呈对称结构，该馈电部的中心位置与第一辐射贴片的中心位置之间的偏馈距离为d。在实际应用中，通过调整馈电距离，可以调整波束偏转天线的电流分布。改变馈电距离可以增加TM11模的分量，实现一个y轴方向的极化；另外，由于偏馈，第一辐射贴片基于馈电部两侧的电流分布不对称，主波束指向了负角度，提升了波束偏转天线在主波束方向的增益。
需要说明的是，上述各使得第一辐射区域和第二辐射区域的电流分布不同的结构并非局限。以及上述辐射贴片与馈电部的偏馈位置也并非局限于图示。根据实际天线的各种性能指标的要求，各结构可组合使用或与其他结构配合。其中，其他结构举例为在辐射贴片上设置用于阻抗匹配的匹配结构3230等。
为了满足天线所在无线电设备的实际工作运行过程中高效实现电磁波的发射和/或接收的工程需要，小型天线还需满足工程中如下至少一种性能指标：阻抗匹配、以及波束宽度、天线增益等。为此，天线结构可对应影响一种或多种性能指标。例如，通过调整阻抗匹配可有效提高天线增益。又如，天线在某一辐射方向上的增益增高可影响波束宽度变窄等等。
其中，匹配结构3230可以设置在第一辐射贴片3210和馈电部3220之间，用于在馈电部3220和第一辐射贴片3210之间进行阻抗匹配，以提供实现50ohm的匹配。阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配，其可反映在如天线的隔离指标、驻波指标、回波损耗性能中等。阻抗匹配既与电磁波的传播介质有关，也与馈线结构和辐射结构的阻抗匹配相关。为此，波束偏转天线的各辐射贴片的阻抗可根据传播介质的阻抗而设置；以及在波束偏转天线中还设置电阻，以使馈电部的等效阻抗与辐射忒片的等效阻抗相适配。匹配结构3230可以为馈电部3220中的一部分，其可为独立的利用半导体材料而设计的器件；或者利用馈电部3220中金属材料的导电性能，通过改变馈电部3220中金属材料的尺寸、形状等实现阻抗匹配的目的。仍以图4为例，馈电部3220中的匹配结构3230包括：利用金属材料的尺寸而延展出的连接微带线与馈电位置衔接的部分。
通过在馈电部上设置匹配结构，能有效提高波束偏转天线的辐射效率。设置有匹配结构的波束偏转天线具有更好的整体性能。如，优化了辐射方向的性能、降低了回波损耗等性能指标。
图6为图4提供的一种波束偏转天线的回波损耗示意图，图7为图4提供的一种波束偏转天线的辐射方向图，图8为图4提供的一种波束偏转天线的交叉极化比-辐射方向示意图，如图6所示，当波束偏转天线工作频段在76～79GHz时，其对应的回波损耗最低。如图7所示，在76～81GHz范围内的毫米波频段内，波束偏转天线均实现了不同程度的波束偏转，主波束增益大于5dB。如图8所示，同样在76～81GHz范围内的毫米波频段内，波束偏转天线的交叉极化比均大于10dB。TM20模式的天线的远场方向图在xoz平面是中间零陷，两边凸起的形状；由于电流反相，图4所示的波束偏转天线工作在TM11模，TM11模式的远场方向图在xoz平面也是中间零陷，两边凸起的形状；另外，TM20模的极化方向是x方向，而TM11模的极化方向是y方向。
图4所示的波束偏转天线的辐射角度范围可适用于如车辆的测量传感器中。具体地，以车辆的测量角的传感器为例，其装配在车身的转角(又称为体角)位置，辐射角度范围的中心轴与车辆侧身方向大致呈45°，如此，配置有该种天线的测量传感器可探测车辆体侧和车辆前部(或尾部)两个方向的测量信息。特别地，波束偏转天线能测得车辆前部(或尾部)更远的距离，以有效为汽车在行驶期间提供防止追尾、视觉盲区等的测量信息。
图9为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的另一种结构示意图，如图9所示，为了进一步缩小辐射结构的尺寸，以整体减小波束偏转天线的辐射结构所占据的延展面积，可以减小第一辐射贴片的长侧边的长度，即确定长侧边的长度约为1/2W，此时，第一辐射贴片中远离设置有馈电部的一侧设置有多个金属过孔，金属过孔电连接第一辐射贴片和接地层。
具体而言，金属过孔的孔壁可涂有金属层，以与金属接地层连接，多个金属过孔可以设置在第一辐射贴片中相对于设置有馈电部的短侧边的边缘形成金属过孔排，各金属过孔之间的间距小于λg/4。
图10为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的另一种结构的电流分布图，如图10所示，长侧边的长度约为1/2W且设置有金属过孔排的第一辐射贴片可以实现如图10所示的电流分布。
金属过孔排可以形成电壁结构，由于设置有电壁结构，使得在同样输出功率下，如图9所示的波束偏转天线中第一辐射区域的电流路径的长度短于如图3所示的波束偏转天线中第一辐射区域的电流路径，且图9中第一辐射区域的电流密度更大。因此，波束偏转天线在该辐射角度范围内，仍可形成如图10所示的辐射增益不对称的两个辐射主方向。
图11为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的又一种结构示意图，图12为本申请实施例一提供的一种波束偏转天线的又一种结构的电流分布图，如图11所示，一种实施方式中，波束偏转天线还包括第二辐射贴片3240，所述第二辐射贴片3240设置在所述第一辐射贴片3210的所述短侧边的一侧，且与所述短侧边间隔预设距离，设置有所述第二辐射贴片3240的所述短侧边远离所述馈电部3220。
其中，第二辐射贴片3240的尺寸被配置为能在第一辐射贴片3210的馈电下被激励为高阶模式，或者第二辐射贴片3240的尺寸被配置为能在第一辐射贴片3210的馈电下被激励为基模模式。第一辐射贴片3210与第二辐射贴片3240之间具有缝隙Gap，因此，第一辐射贴片3210和第二辐射贴片3240通过感应耦合方式馈电连接。在第一辐射贴片3210和第二辐射贴片3240的感应电场激励下，如图12所示，第一辐射贴片和第二辐射贴片具有相同的电流分布。由于等效辐射源的口径的增大以及数量增多，增强了波束偏转天线在辐射主方向的增益，而且补偿了辐射角度范围内增益不足的区域。上述各电流分布所引起的电磁波的辐射变化，也可以通过各区域所产生的电磁波辐射功率来表征，技术人员可利用电磁波与变化电流的转换关系予以计算，在此不再详述。
图13为图11提供的一种波束偏转天线的等效辐射源示意图，图14为图11提供的一种波束偏转天线的回波损耗示意图，图15为图11提供的一种波束偏转天线的辐射方向图。由于主要辐射源是y方向的电流，因此可以把图12的表面电流分布等效于图13所示的三个辐射源，通过测试电流方向，第二个源的方向与第一个源以及第三个源的方向是反相的。因此，三个源依次对应的初相pha_n分别为pha_1＝0°，pha_2＝180°，pha_3＝0°。若W＝2.4mm，D_n是第n个源到第一个源的距离，D_1＝0，D_2＝W，D_3＝2W，工作频段在毫米波波段，如78GHz，则(pha_n+D_n/λsinθ·2π)|_(n＝1)＝(pha_n+D_n/λsinθ·2π)|_(n＝2)＝(pha_n+D_n/λsinθ·2π)|_(n＝3)。此时可以得到最大增益E(θ)所对应的角度θ＝(-53°±△)，其中，△为角度误差，该角度误差受半导体工艺误差、测量精度等影响。由此可见，该天线不仅拓宽了辐射角度范围，更有利于在该辐射角度范围内更灵敏地获取回波信号波。
图16为本申请实施例一提供的另一种波束偏转天线的一种结构示意图，如图16所示，另一种实施方式中，所述第一辐射贴片3210中所述长侧边的中心位置与所述短侧边之间的部分凹设于所述馈电部3220构成的凹槽中，以使所述馈电部3220与所述第一辐射贴片3210之间耦合馈电。
其中，第一辐射贴片3210与馈电部3220间隔第一预设距离，在金属层上形成缝隙，基于缝隙所形成的电流开路，波束偏转天线可以在金属层馈入高频电流时产生电磁，以使馈电部3220与第一辐射贴片3210之间实现耦合馈电；凹设于馈电部3220构成的凹槽中的第一辐射贴片3210的面积小于所述第一辐射贴片3210的面积的一半。
当然，缝隙的位置、形状、方向可以影响波束偏转天线所产生的电磁波的辐射方式。例如，可以影响辐射方向和/或辐射功率等。
同样地，该结构可以形成如图5所示的电流分布，对应地，第一辐射区域和第二辐射区域依据感应电流的不同方向和/或不同电流密度而确定。
图17为本申请实施例一提供的另一种波束偏转天线的另一种结构示意图，如图17所示，波束偏转天线还包括第二辐射贴片3240。
同样地，第二辐射贴片3210与第一辐射贴片3240的尺寸一致，第二辐射贴片3240设置在第一辐射贴片3210的短侧边的一侧，且与短侧边间隔预设距离，设置有第二辐射贴片3240的短侧边远离馈电部3220。第一辐射贴片3210与第二辐射贴片3240之间具有缝隙Gap，因此，第一辐射贴片3210和第二辐射贴片3240通过感应耦合方式馈电连接。在第一辐射贴片3210和第二辐射贴片3240的感应电场激励下，形成如图9所示的电流分布。
本申请实施例提供一种波束偏转天线，包括：介质层和设置于所述介质层两侧的金属层和接地层，所述金属层包括第一辐射贴片和馈电部；所述第一辐射贴片的长侧边的长度基于所述波束偏转天线的工作波长确定，所述第一辐射贴片的短侧边的长度小于所述长侧边的长度；所述馈电部耦接于所述第一辐射贴片的长侧边的中心位置与一短侧边之间，所述馈电部用于将高频信号(又叫射频信号)传输至所述第一辐射贴片，或者用于传输所述第一辐射贴片接收的空间辐射信号。上述技术方案，耦接于第一辐射贴片的长侧边的中心位置与一短侧边之间的馈电部和第一辐射贴片进行连接馈电或者耦合馈电，实现了对第一辐射贴片的偏馈，第一辐射贴片上的电流分布，实现带有多个辐射主方向的电磁波的转换。另外，本申请的天线结构所对应的多个辐射源之间的间距短于图2所示的辐射结构所对应的多个辐射源之间的间距，因此本申请的实施例在有效减小天线尺寸的情况下实现了波束偏转。
结合图6和图14所提供的示意图，本申请中采用高阶天线都更适用于波束宽度较宽的天线。其中，波束宽度(又称波束角度)用于表征天线的最大辐射方向在某一平面内的功率通量密度下降到一半处的两个点之间的夹角。表征功率通量密度下降到一半处的两个点的指标举例为在天线的最大辐射方向的相应平面内辐射功率下降3dB所对应的点。其中，平面举例为水平平面或垂直平面。波束宽度可以与天线增益有关，例如，天线增益越大，波束越窄。
天线增益以输入功率相等的条件下，实际天线与理想的天线在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比来表示。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。
为了使预设辐射角度范围及其天线增益满足如汽车安全对角雷达的工程需要，本申请提供的天线还可以为包含多个波束偏转天线的天线阵列。其中，各波束偏转天线单元之间通过各自的馈电结构相连。
下面将结合实施例二对天线阵列进行详细的描述。
实施例二
本申请实施例二提供一种天线阵列，天线阵列可以包括：多个波束偏转天线，各波束偏转天线之间通过馈电部连接。
图18为本申请实施例二提供的一种天线阵列的示意图，如图18所示，所述波束偏转天线的馈电部与第一辐射贴片之间连接馈电，所述波束偏转天线的馈电部连接另一所述波束偏转天线的第一辐射贴片。
图19为本申请实施例二提供的另一种天线阵列的示意图，如图19所示，所述波束偏转天线的馈电部与第一辐射贴片之间连接馈电，各所述波束偏转天线的馈电部分别连接至传输线。
图20为本申请实施例二提供的又一种天线阵列的示意图，如图20所示，所述波束偏转天线的馈电部与第一辐射贴片之间耦合馈电，各所述波束偏转天线的馈电部串联连接。
各波束偏转天线的馈电部的各馈电位置所对应的电流相位基本一致，多个波束偏转天线可以在辐射角度范围内在两个辐射方向上辐射增益不同的电磁波。各波束偏转天线的尺寸抑或是馈线和辐射贴片的距离(影响贴片上耦合都的能量大小)可不完全一致，以达到在满足波束宽度的同时，有效抑制天线的副瓣增益。例如，天线中首尾边缘的辐射结构的该距离短于中部的辐射结构的该距离。
当然，天线阵列所包含的波束偏转天线可作为发射天线，也可作为接收天线。为了适配天线阵列所发射的多路探测信号波，以及接收多路回波信号波的能量需要，天线阵列还包括：与至少一路波束偏转天线耦接的功率分配器，功率分配器用于分配波束偏转天线的辐射功率。
为了兼顾防止天线阵列中收发天线的信号干扰，和波束偏转天线的小尺寸的目标，天线阵列依据隔离指标来配置相邻波束偏转天线之间的间距，以及馈电结构之间的间距。或者通过在天线阵列中配置隔离部分来缩短上述任一种间距，其举例包括以下至少一种：收发天线之间的隔离，和馈电的隔离。其中收发天线之间的隔离可通过一个天线发射的信号与另一个天线所接收的信号功率的比值来表征。天线的隔离指标越高，表示发射信号和接收信号的干扰程度越低。随着集成电路的器件集成度增加，或者天线的尺寸进一步缩小，在包含发射天线和接收天线的天线阵列中，发射信号和接收信号之间的耦合问题越发突出。
对于包含多路波束偏转天线的天线阵列来说，天线阵列还包括第一隔离部分，用于隔离相邻天线之间的信号干扰。在此，第一隔离部分可为单独配置的结构，或者通过为发射天线和接收天线配置正交的极化角以提高隔离作用。
馈电的隔离是为了防止不同路的波束偏转天线的馈电部分所传输的变化电信号因产生泄露信号而导致输出功率降低的问题，而在天线阵列中设置的第二隔离部分。在一些示例中，第二隔离部分位于发射天线的馈电部分和接收天线的馈电部分之间，通过抵消该区域内的泄露信号，来提高信号隔离作用。
实施例三
图21为本申请实施例三提供一种雷达传感器的结构示意图，如图21所示，雷达传感器包括：天线装置2110，与所述天线连接的信号收发装置2120，用以通过所述天线装置2110中的发射天线发射探测信号波，以及通过所述天线装置2110中的接收天线接收回波信号波，以输出对所述回波信号波进行处理后的基带数字信号；天线包括如实施例一任一所述的波束偏转天线或者如实施例二任一所述的天线阵列；其中，所述回波信号波是所述探测信号波经探测物(又称目标物、或障碍物等)反射形成的。
本申请实施例所提供的雷达传感器可以基于雷达传感器所包含的天线输出在方向范围内通过对回波电信号的处理而得到的数字信号，与实施例一和实施例二所提供的天线具备相同的有益效果。
另外，所述信号收发装置包含信号发射器和信号接收器。在此，天线装置、信号收发装置均依据雷达传感器对周围环境探测及信号处理的需要而确定电路结构，以在预设频段、或定频发出探测信号波和接收回波信号波，以及对相应的变化电信号进行信号处理。
所述信号发射器用于将对应探测信号波的变化电信号传输至天线装置中的发射天线。具体地，所述信号发射器将信号源所提供的基准电信号调频/调相处理，并调制成射频频段的电流变化的发射电信号，以输出至发射天线。
所述信号接收器用于利用发射电信号，将天线阵列中的接收天线所输出的接收电信号(即变化电信号)进行解调和滤波等处理，以得到待提取测量信息的基带数字信号。
所述信号处理器与所述信号收发机连接，用于通过信号处理从所接收的基带数字信号中提取测量信息，并予以输出。其中，所述信号处理包括基于对至少一路接收天线所提供的至少一路基带数字信号进行相位、频率、时域等数字化信号处理计算，以输出测量信息(又称物理量)。所述测量信息举例包括以下至少一种：角度、距离、速度、三维图像、跟踪目标的三维信息等。
实施例四
本申请实施例四还提供一种配置有雷达传感器的车辆。所述车辆还包括车辆壳体、车辆驱动系统、和车辆控制系统。
其中，车辆壳体上设有至少一个装配孔。所述装配孔用于装配雷达传感器。所述装配孔根据汽车控制系统对雷达传感器所提供的测量信息的需要，而设置在车辆壳体上的一个或多个位置。例如，所述装配孔为多个，并设置在车辆壳体的四个体角位置、和/或后视镜位置等；还可以设置在车辆的正前方和正后方，和/或车门位置等。
所述车辆的驱动系统用于驱动车辆整体移动，如前进、倒退、转弯等。所述驱动系统举例包括：发动机、传动机构、和车轮等。
所述车辆控制系统与所述雷达传感器连接，用于根据所述测量信息提供警示信息和/或控制车辆驱动系统执行安全紧急操作。
在此，所述车辆控制系统包括车辆的雷达警示器；甚至还可以包括自动辅助驾驶系统。以所述雷达传感器连接雷达警示器为例，所述雷达传感器配置在车辆后方的体角位置，该雷达传感器用于将车辆体侧至车辆后方大致90°范围内的障碍物信息。当倒车过程中，当雷达警示器根据该雷达所提供的测量信息，确定对应范围内有障碍物时，则提供相应警示信息，如蜂鸣声、图像等。以所述雷达传感器连接自动辅助驾驶系统为例，所述雷达传感器配置在车辆后方的体角位置，该雷达传感器用于将车辆体侧至车辆后方大致90°范围内的障碍物信息。当倒车过程中，当自动辅助驾驶系统根据该雷达传感器所提供的测量信息，确定对应范围内有障碍物时，则控制车辆减速、甚至停止等。
本申请通过调整辐射结构和馈电结构，及其连接关系，实现在单一辐射结构的金属贴片上利用电流分布不同的特点，与带有多个辐射主方向的电磁波进行电磁转换。由此改变了现有天线中多路天线复合使用所产生的辐射目的，并有效减小天线及天线阵列的尺寸。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (15)

1.一种波束偏转天线，其特征在于，包括：介质层和设置于所述介质层两侧的金属层和接地层，所述金属层包括第一辐射贴片和馈电部；
所述第一辐射贴片的长侧边的长度基于所述波束偏转天线的工作波长确定，所述第一辐射贴片的短侧边的长度小于所述长侧边的长度；
所述馈电部耦接于所述第一辐射贴片的长侧边的中心位置与一短侧边之间，所述馈电部用于将高频信号传输至所述第一辐射贴片，或者用于传输所述第一辐射贴片接收的空间辐射信号。
2.根据权利要求1所述的波束偏转天线，其特征在于，所述馈电部与所述第一辐射贴片电连接，以使所述馈电部与所述第一辐射贴片之间连接馈电。
3.根据权利要求1所述的波束偏转天线，其特征在于，还包括：匹配结构，所述匹配结构耦接在所述馈电部和所述第一辐射贴片之间，以进行阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的波束偏转天线，其特征在于，所述第一辐射贴片中所述长侧边的中心位置与所述短侧边之间的部分凹设于所述馈电部构成的凹槽中，以使所述馈电部与所述第一辐射贴片之间耦合馈电。
5.根据权利要求1-4任一所述的波束偏转天线，其特征在于，所述馈电部到所述第一辐射贴片的中心位置之间的偏馈距离大于所述长侧边的长度的四分之一。
6.根据权利要求1-4任一所述的波束偏转天线，其特征在于，所述第一辐射贴片中相对于设置有所述馈电部的一侧设置有多个金属过孔，所述金属过孔电连接所述第一辐射贴片和所述接地层。
7.根据权利要求1-4任一所述的波束偏转天线，其特征在于，还包括：第二辐射贴片，所述第二辐射贴片设置在所述第一辐射贴片的所述短侧边的一侧，且与所述短侧边间隔预设距离，设置有所述第二辐射贴片的所述短侧边远离所述馈电部。
8.根据权利要求7所述的波束偏转天线，其特征在于，在毫米波波段下，所述第一辐射贴片和第二辐射贴片的长侧边的长度均为2.4mm，其最大增益E(θ)所对应的角度θ在(-53°±△)，其中，△为角度误差。
9.一种天线阵列，其特征在于，包括：多个如权利要求1-7任一所述的波束偏转天线，各所述波束偏转天线的各所述馈电部连接。
10.根据权利要求9所述的天线阵列，其特征在于，所述波束偏转天线的馈电部与第一辐射贴片之间连接馈电，所述波束偏转天线的馈电部连接另一所述波束偏转天线的第一辐射贴片。
11.根据权利要求9所述的天线阵列，其特征在于，所述波束偏转天线的馈电部与第一辐射贴片之间连接馈电，各所述波束偏转天线的馈电部分别连接至传输线。
12.根据权利要求9所述的天线阵列，其特征在于，所述波束偏转天线的馈电部与第一辐射贴片之间耦合馈电，各所述波束偏转天线的馈电部串联连接。
13.一种雷达传感器，其特征在于，包括：
天线装置，包括：如权利要求1-8、或14中任一所述的天线，或如权利要求9-12中任一所述的天线阵列；
信号收发装置，耦接所述天线或天线阵列，用于利用所述天线或天线阵列发射探测信号波，利用所述天线或天线阵列接收回波信号波，以及利用所述探测信号波对所述回波信号波进行混频采样而输出基带数字信号；其中，所述回波信号波为探测信号波经物体反射而形成的。
14.一种车辆，其特征在于，包括：车辆壳体、如权利要求13所述的雷达传感器和车辆控制系统；
其中，所述车辆壳体设有至少一个装配孔；
所述雷达传感器所包含的天线通过所述装配孔发出探测信号波和接收回波信号波；所述雷达传感器根据所述探测信号波和回波信号波测量车辆与周围环境中预设辐射角度范围内的障碍物的测量信息，并予以输出；
所述车辆控制系统与所述雷达传感器连接，用于根据所述测量信息提供警示信息和/或控制车辆驱动系统执行安全紧急操作。
15.一种天线，其特征在于，包括：
贴片式的辐射结构，包括：第一辐射区域和第二辐射区域；
馈电结构，从所述辐射结构的馈电位置向所述辐射结构馈电；
其中，所述第一辐射区域和第二辐射区域是根据所述馈电位置的馈电而使得所述辐射结构中的电流分布不同所确定的；
在所述馈电结构的激励下，所述第一辐射区域和第二辐射区域：产生预设辐射角度范围的探测信号波。
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