CN114843770A - 一种微带天线及毫米波雷达 - Google Patents

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CN114843770A CN202210410183.9A CN202210410183A CN114843770A CN 114843770 A CN114843770 A CN 114843770A CN 202210410183 A CN202210410183 A CN 202210410183A CN 114843770 A CN114843770 A CN 114843770A
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Abstract

本发明提供了一种微带天线及毫米波雷达，包括：馈电网络和天线阵列；馈电网络和天线阵列设置于基板的同一平面；馈电网络的输出端与天线阵列的输入端一一对应连接；馈电网络上设有串接的相位调节单元，相位调节单元用于调节馈电网络的各输出端的馈电信号间的相位差；馈电网络的特性阻抗与天线阵列的输入阻抗相匹配。利用本申请的技术方法，通过设置相位调节单元，能够在小型化设计的基础上通过灵活设置幅度调节单元，满足对天线阵列的辐射方向图的各种需求，取得较佳的天线辐射性能。

Description

一种微带天线及毫米波雷达
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种微带天线及毫米波雷达。
背景技术
天线作为雷达系统辐射和接收电磁波的装置，对雷达系统的性能起着至关重要的作用。由于微带天线重量轻、易于制造且价格便宜，因此微带天线被广泛用于雷达天线。
以车载雷达天线为例，为了实现车载雷达更远的探测距离，就需要天线具有更高的增益。但是，单一地在俯仰向增加单元数目已不能满足系统要求，而且会导致雷达对俯仰安装偏差较为敏感，所以就需要在方位向增加天线单元的数量并进行波束合成。为了不在方位面FOV(Field ofView，覆盖的角度)内产生零深，通常需要调整进入每个天线单元输入端的馈电信号的幅度比和相位差。
相关技术中的功分器可以作为馈电网络对微带天线阵列中各天线单元输入端的馈电信号进行功率分配，例如，专利文件CN205159484U中提供了一种基于并联短截线的T型功分器，通过调节两根开路短截线的长度实现了不同的幅度比，但该功分器作为馈电网络不具备调节相位差的功能，仅能够对其输出的馈电信号的幅度进行调整。为了获得符合预期的天线辐射性能，就需要额外设置调相装置，同时基于该功分器级联应用尺寸较大，不利于天线的小型化设计。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于，提供一种微带天线及毫米波雷达，通过设置相位调节单元，能够在小型化设计的基础上灵活的设置天线阵列的辐射方向图，取得较佳的天线辐射性能。本发明的具体技术方案如下：
一方面，本发明提供一种微带天线，包括：馈电网络和天线阵列；
所述馈电网络和所述天线阵列设置于基板的同一平面；
所述馈电网络的输出端与所述天线阵列的输入端一一对应连接；
所述馈电网络上设有串接的相位调节单元，所述相位调节单元用于调节所述馈电网络的各输出端的馈电信号间的相位差；所述馈电网络的特性阻抗与所述天线阵列的输入阻抗相匹配。
在一个可能的实现方式中，所述相位调节单元为所述馈电网络的输出支路上串接的一段或多段微带线段。
在一个可能的实现方式中，所述馈电网络的各输出支路上所述相位调节单元的设置方式不同。
在一个可能的实现方式中，所述馈电网络的输入端设有阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元用于匹配所述馈电网络的特性阻抗与所述天线阵列的输入阻抗。
在一个可能的实现方式中，所述阻抗匹配单元包括单节或多节四分之一波长阻抗变换器。
在一个可能的实现方式中，所述馈电网络上设有幅度调节单元，所述幅度调节单元包括一段或多段与所述馈电网络并联的开路枝节。
在一个可能的实现方式中，所述馈电网络为一分多功分器，包括多个输出支路；
所述功分器各支路的通路上设有所述幅度调节单元和/或所述相位调节单元；所述幅度调节单元在各支路上用于调节对应支路的馈电信号的幅度；所述相位调节单元在各支路上用于调节不同支路间的相位差。
在一个可能的实现方式中，所述功分器各输出支路的线宽、所述幅度调节单元的线宽和所述相位调节单元的线宽均相同；
所述幅度调节单元各开路枝节的长度与所述功分器各输出支路上馈电信号的幅度比匹配；所述相位调节单元在所述功分器各输出支路中的长度与所述功分器各输出支路上馈电信号间的相位差匹配。
在一个可能的实现方式中，所述天线阵列为梳状天线阵列，所述梳状天线阵列单元间的间距为所述天线中心频点对应空气波长的一半。
根据本申请的另一方面，提供一种毫米波雷达，所述毫米波雷达包括上述任一可行的所述的微带天线。
采用上述技术方案，本发明所述的一种微带天线及毫米波雷达具有如下有益效果：
通过在馈电网络上串接相位调节单元，实现馈电网络的各输出端的馈电信号间的相位差的调节，从而能够在小型化设计的基础上灵活的设置天线阵列的辐射方向图，取得较佳的天线辐射性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，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的介绍。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它附图。
图1为本申请实施例提供的一种微带天线的PCB叠层的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种微带天线的示意图；
图3为图2中所示的馈电网络的示意图；
图4为图2中所示的馈电网络的局部示意图；
图5为图2中所示的微带天线的天线仿真增益方向图；
图6为图2中所示的微带天线的天线仿真驻波图；
图中：馈电网络10，天线阵列20，相位调节单元100，第一开路枝节210，第二开路枝节220，第三开路枝节230，第四开路枝节240，阻抗匹配单元300。
具体实施方式
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的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，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、装置、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。
本实施例提供一种微带天线，请参照图1和图2，微带天线包括：馈电网络10和天线阵列20；馈电网络10和天线阵列20设置于基板的同一平面。
作为一种可选的实施方式，将馈电网络10和天线阵列20设置于PCB基板的一个平面，形成图1中所示PCB的天线层，PCB基板的另一个平面设置为该天线层的参照地平面，形成图1中所示PCB的地铜层，天线层和地铜层间经介质层隔开。
实际应用中，为了在尺寸有限的PCB基板上获得符合预期方向图的天线辐射性能，根据方向图和选定的天线阵列20确定的每个天线单元的输入端的信号不仅要满足幅度激励要求，还需要对相位进行调整。
本申请实施例中，馈电网络10的输出端与天线阵列20的输入端一一对应连接；馈电网络10上设有串接的相位调节单元，相位调节单元用于调节馈电网络10的各输出端的馈电信号间的相位差；馈电网络10的特性阻抗与天线阵列20的输入阻抗相匹配。
本实施例中，相位调节单元可以调节馈电网络10的各输出端的馈电信号的相位，从而实现对各输出端的馈电信号的相位差的调节；相位调节单元也可以直接调节各输出端的馈电信号的相位差。
通过馈电网络10对输入信号进行功率分配和相位差调节，能够得到符合预期的天线阵列20输入端的馈电信号，设置馈电网络10的特性阻抗与天线阵列20的输入阻抗相匹配可以减少反射和线路中的损耗，使得阵列天线获得最大的辐射功率。本申请实施例可通过调相单元实现预期的天线辐射性能。
示例性的，如图2和图3所示，该馈电网络10设置为一分六功分器，包括1个输入端口(端口1)和6个输出端口(端口2～端口7)，馈电网络10的各输出端分别与天线阵列20的各天线单元的输入端一一对应连接。在馈电网络10的端口4、端口2以及端口5、端口7对应的输出支路上均设有相位调节单元100，这些相位调节单元100在相应的输出支路上，通过增加电流流过的路径实现不同输出支路上相位的差异化设计，从而可以实现对馈电网络10各输出端口中馈电信号的相位或者不同输出支路间相位差的调节。
本实施例提供的微带天线，通过在馈电网络10各输出支路上串接相位调节单元100，在常规功分器提供幅度调节的基础上还能进行相位调节。实际应用中，通过灵活设置相位调节单元100在馈电网络10的各输出支路上串接的位置、数量和尺寸，能够对微带天线进行多种相位或相位差的灵活设置，从而能够获得更佳的天线辐射性能。
在一个实施例中，相位调节单元为馈电网络10的输出支路上串接的一段或多段微带线段。多段微带线段可以配合实现与一段微带线等同的相移效果，但在一些场景中，多段微带线段的设置可以用于避免PCB基板上的其他信号对天线辐射信号的干扰。
在一个实施例中，还可以通过调节相位调节单元100中串接的一段或多段微带线段的长度和宽度，实现各输出支路上相位或不同输出支路间相位差的灵活设置。例如，图3所示的端口4对应的输出支路上设置的相位调节单元100可以包括更多的连续的或不连续的弯折走线。
在另外的实施例中，相位调节单元100包括不同走线形式的微带线段，在不同的输出支路上相位调节单元100的设置方式不同。具体地，可以是微带线段的走线的距离、弯折的方向或者弯折的角度中的一者或多者存在差异。这样，通过对相位调节单元100各微带线段的合理设置，可以避免在单一方向或单一角度上的微带线长度过大，占用过多PCB基板的面积，有利于天线的小型化设计。
需要说明的是，在相位调节单元100中串接的一段或多段微带线段的宽度均与馈电网络10的微带线的宽度一致的情况下，长度为L的微带线引入的相位差可以通过公式(1)计算得到：
θ＝βL (1)
其中，β为天线中心频点对应的传播常数；
L为各段微带线的总长度。
示例性的，以图4中所示的端口3和端口4为例说明如何计算两个端口间的相位差。如图所示，为了简化计算过程，该示例中，设置所有微带线的宽度均相等，即图中所示的w1、w2均与w相等。在馈电网络10端口4的支路上串接有长度为LP1的微带线作为该支路上的相位调节单元100对该支路中馈电信号的相位进行调节；在馈电网络10端口3的支路上未设置相位调节单元。则端口4与端口3之间馈电限号的相位差可以通过公式(2)计算得到：
θ4，3＝β(g+Lp1) (2)
其中，θ4，3为端口4相对于端口3的相位差；β为天线中心频点对应的传播常数；g为端口4与端口3间的纵向间距；
Lp1为端口4所在输出支路上相位调节单元的微带线的长度。
在一个实施例中，馈电网络10的输入端设有阻抗匹配单元，阻抗匹配单元用于匹配馈电网络10的特性阻抗与天线阵列20的输入阻抗。
在一个具体的实施例中，可以设置阻抗匹配单元包括单节或多节四分之一波长阻抗变换器。本领域技术人员应理解的是，相较于单节四分之一波长阻抗变换器进行阻抗匹配的方案，采用多节四分之一波长阻抗变换器能够增加带宽，本领域技术人员可以根据需要选择。基于图3所示的微带天线进行的s参数的仿真，可以看出通过阻抗匹配单元300馈电网络10的输入端口匹配良好。该示例的微带天线经阻抗匹配单元300对阻抗匹配后，各天线单元的输入端馈电信号满足相位差(°)为30:40:0:0:40:30，各天线单元输入端馈电信号的激励幅度满足的幅度比0.1:0.5:1:1:0.5:0.1。
在一个实施例中，馈电网络10上设有幅度调节单元，幅度调节单元包括一段或多段与馈电网络10并联的开路枝节。与馈电网络10并联的开路枝节并不局限于馈电网络10各输出支路上，还可以设置于馈电网络10的相邻输出支路间的通路上。示例性的如图3中所示，在端口4和端口3对应的输出支路间的通路上设有第一开路枝节210，在端口3所在的输出支路上设有第二开路枝节220，在端口3与端口2间的通路上还设有第三开路枝节230，该示例中还包括在第二端口所在支路上设置的第四开路枝节240。图3的示例中，馈电网络10设置为上下对称的结构，实际应用中可以根据对相位差和激励幅度的需求，按需调整馈电网络10中幅度调节单元和相位调节单元100的位置、微带线的长度和宽度等，即本申请实施例的微带天线不局限于对称结构。
对于长度为L的并联开路枝节，其特征阻抗可以通过公式(3)计算得到：
Z＝-jZ0cot(βL) (3)
其中Z0为天线中心频点微带线对应阻抗。
示例性的，以图4中所示的端口3和端口4为例，说明如何计算两个端口间的幅度比。端口4和端口3的幅度比A4/A3可以用对应端口所在支路的输入阻抗的反比Z4in/Z3in表示。具体地，端口4所在支路的输入阻抗可以用公式(4)计算得到：
Figure BDA0003603381870000071
其中，Z4in为端口4的输入阻抗；L1为第一开路枝节210的长度；Z0为天线中心频点微带线对应阻抗。
端口3所在支路的输入阻抗可以用公式(5)计算得到：
Figure BDA0003603381870000072
其中，Z3in为端口3的输入阻抗；L2为第二开路枝节220的长度；Z0为天线中心频点微带线对应阻抗。
在一个具体的实施例中，馈电网络10为一分多功分器，包括多个输出支路；功分器各支路的通路上设有幅度调节单元和/或相位调节单元100；幅度调节单元在各支路上用于调节对应支路的馈电信号的幅度；相位调节单元100在各支路上用于调节不同支路间的相位差。具体地，可以是通过调节各输出支路输出端馈电信号的相位实现不同支路间的相位差的调节；也可以是通过预期的相位差，以其中一个输出支路为参考，通过调节相位调节单元100中微带线的走线，实现不同支路间的相位差的调节。
为了简化微带天线的结构，便于加工，在一个具体的实施例中，如图3所示，功分器各输出支路的线宽、幅度调节单元的线宽和相位调节单元的线宽均相同。
幅度调节单元各开路枝节的长度与功分器各输出支路上馈电信号的幅度比匹配；相位调节单元100在功分器各输出支路中的长度与功分器各输出支路上馈电信号间的相位差匹配。为了满足各种场景下对相位差的需求，可以基于上述的幅度调节和相位调节的相关公式和原理进行灵活设置。例如，对幅度调节单元可以进行包括各开路枝节的长度、位置和数量的设置，对相位调节单元100可以进行包括各微带线段的弯折角度和走线长度的调节。
优选地，幅度调节单元的开路枝节在馈电网络10的各输出支路上设置的位置距离该支路分支节点的距离、开路枝节在馈电网络10的相邻支路间的通路上设置的位置距离相邻支路的共有分支节点以及，相位调节单元100串联的微带线的设置位置距离其所在支路的分支节点的距离的距离均小于λm/4，其中λm为天线中心频点微带线对应波长。这样可以进一步限制该馈电网络10在PCB基板上的占有面积，有利于微带天线的小型化设计。
在一个具体的实施例中，天线阵列20为梳状天线阵列20，梳状天线阵列20单元间的间距为天线中心频点对应空气波长的一半。
本申请实施例中进一步提供图2所示微带天线对应的仿真增益方向图和驻波，以更加直观的体现本申请微带天线的优势。如图5和图6所示，从中可以看出，该微带天线轴向增益为18.3dB，在方位面FOV内没有产生零深，75.4-78.1GHz内驻波小于1.5。
综上，本申请实施例的微带天线通过幅度调节单元的各开路枝节以及相位调节单元100中微带线的走线能够满足对设定的幅度和相位差的调节，并且能够获得较佳的天线辐射效果。
需要说明的是，本申请实施例提供附图中的天线阵列20为梳状天线阵列，且包括六个天线单元，每个天线单元包括十个阵元。这不构成对天线阵列20的具体限定，本领域技术人员可以根据预期的天线的方向图、天线单元方向图与阵因子方向图间的关联关系，确定采用天线阵列20的具体形式、天线单元的数量，以及每个天线单元上阵元的尺寸位置和数量，以获得最佳的天线辐射性能。
本申请实施例还提供一种毫米波雷达，包括上述任一可行的微带天线。
在一个实施例中，毫米波雷达应用于车辆上，作为车辆自动驾驶系统的一部分，用于目标测距、测速或方位测量。
对于其中包括的微带天线的具体细节，可参阅本实施例上述内容，在此不再赘述。
需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、设备和存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指示相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种微带天线，其特征在于，包括：馈电网络(10)和天线阵列(20)；
所述馈电网络(10)和所述天线阵列(20)设置于基板的同一平面；
所述馈电网络(10)的输出端与所述天线阵列(20)的输入端一一对应连接；
所述馈电网络(10)上设有串接的相位调节单元(100)，所述相位调节单(100)元用于调节所述馈电网络(10)的各输出端的馈电信号间的相位差；所述馈电网络(10)的特性阻抗与所述天线阵列(20)的输入阻抗相匹配。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述相位调节单元(100)为所述馈电网络(10)的输出支路上串接的一段或多段微带线段。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述馈电网络(10)的各输出支路上所述相位调节单元(100)的设置方式不同。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电网络(10)的输入端设有阻抗匹配单元(300)，所述阻抗匹配单元(300)用于匹配所述馈电网络(10)的特性阻抗与所述天线阵列(20)的输入阻抗。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述阻抗匹配单元(300)包括单节或多节四分之一波长阻抗变换器。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电网络(10)上设有幅度调节单元，所述幅度调节单元包括一段或多段与所述馈电网络(10)并联的开路枝节。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述馈电网络(10)为一分多功分器，包括多个输出支路；
所述功分器各支路的通路上设有所述幅度调节单元和/或所述相位调节单元(100)；所述幅度调节单元在各支路上用于调节对应支路的馈电信号的幅度；所述相位调节单元(100)在各支路上用于调节不同支路间的相位差。
8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述功分器各输出支路的线宽、所述幅度调节单元的线宽和所述相位调节单元(100)的线宽均相同；
所述幅度调节单元各开路枝节的长度与所述功分器各输出支路上馈电信号的幅度比匹配；所述相位调节单元(100)在所述功分器各输出支路中的长度与所述功分器各输出支路上馈电信号间的相位差匹配。
9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述天线阵列(20)为梳状天线阵列，所述梳状天线阵列单元间的间距为所述天线中心频点对应空气波长的一半。
10.一种毫米波雷达，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的微带天线。
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CN117423994A (zh) * 2023-12-15 2024-01-19 北京木牛领航科技有限公司 一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线

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