CN115036701B - 基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，包括形成于介质基板上表面的接地共面波导结构；连接于微带线末端的辐射贴片；波导结构；脊波导缝隙天线。本发明采用脊波导缝隙天线代替传统的微带串馈天线，极大地改善了天线的辐射效率，避免了由于和接地共面波导馈线共面对方向图的影响。本发明采用非辐射边侧馈的PCB波导转换结构，相比与传统的水平宽边波导转换，极大地缩小了转换模块的横向尺寸，可以使多个横向排列分布的转换结构更紧凑。

Description

基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元

技术领域

本发明涉及一种车载雷达天线。

背景技术

随着近年来自动驾驶的飞速发展，人们在不断探索开发分辨率更高，同时具备俯仰角分辨率的毫米波雷达。为了获得毫米波雷达探测距离的增加以及分辨力的提升，就需要扩大雷达的天线孔径和增加通道数量。目前行业普遍做法是采用微带串馈天线方案，通过合理阵列布局完成同相馈线设计，但是这种馈线与天线共面的设计，由于通道数的增加和面对不同场景下阵面布局的改变，影响了馈线布局布线的复杂度，导致馈线损耗增加，对于天线的辐射方向图造成很大干扰，尤其是对方向图副瓣的影响。

为了改善馈电损耗以及降低馈线对天线的影响，公开号为CN111164825A的发明专利申请提出了一种通过PCB到波导的转换结构，可以实现通过波导腔代替GCPW完成馈线传输。但是前述专利申请中提到的GCPW转波导结构需要通过额外的巴伦设计完成波导和PCB的匹配，使得转换结构的宽度不能进一步缩小。此外在前述专利中，波导还通过两段腔体尺寸变化完成阻抗匹配，增加了实际加工的难度。

发明内容

本发明的目的是：改善馈电损耗以及降低馈线对天线的影响的同时，确保结构的紧凑度，并且不会显著增加加工难度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，将左、右方向定义为横向，将前、后方向定义为纵向，其特征在于，所述车载雷达天线单元用波导传输代替微带馈线传输，包括：

形成于介质基板上表面的接地共面波导结构，接地共面波导结构包括：蚀刻在介质基板上表面的微带线，微带线的左、右两侧与覆盖在介质基板上表面的铜箔之间形成的微带线避让区，在微带线以及微带线避让区的左、右两侧分别设置的金属接地孔一，“金属接地孔一”记为第一金属接地孔；

连接于微带线末端的辐射贴片，辐射贴片的前、后两条非辐射边为窄边，辐射贴片的左、右两条辐射边为宽边，则辐射贴片与微带线的连接点在辐射贴片窄边一侧，从而实现非辐射边偏移馈电设计；辐射贴片与覆盖在介质基板上表面的铜箔之间有一段矩形避让区，矩形避让区与微带线避让区连接在一起，在矩形避让区的外围设有金属接地孔二，“金属接地孔二”记为第二金属接地孔；

波导结构，与介质基板的上表面连接，包括微带避让腔、辐射结构以及传输波导，其中：微带避让腔连接在介质基板的上表面，且位于接地共面波导结构的上方；辐射结构连接在介质基板的上表面，其与介质基板的接触的区域包含并大于矩形避让区域；微带避让腔与辐射结构相连，传输波导与辐射结构保持相同高度连接；

脊波导缝隙天线，通过脊波导缝隙天线连接内部波导腔和外部自由空间，让腔内电场能够辐射出去。

优选地，还包括极化旋转结构，所述波导结构经由极化旋转结构连接所述脊波导缝隙天线，用于实现波导内电场极化方式由水平极化变成竖直极化，完成从竖直放置的所述传输波导向水平放置的所述脊波导缝隙天线的转换过渡。

优选地，所述极化旋转结构包括从第一块长方体腔开始至最后一块长方体腔依次90度旋转相连的多块长方体腔；所有长方体腔的纵向长度相同，且所有长方体腔的宽度从第一块长方体腔开始依序变大。

优选地，所述极化旋转结构连接所述传输波导，且与所述传输波导保持相同高度；同时，所述极化旋转结构与所述脊波导缝隙天线保持相同高度。

优选地，所述辐射贴片与所述微带线的连接点的位置与辐射贴片相应窄边的中间位置存在距离偏移，具体偏移距离需配合阻抗匹配进行调节。

优选地，所述辐射贴片内部由至少一处沿横向伸展的水平开缝。

优选地，在所述辐射贴片的四条边中的至少一条边上形成由至少一处开槽。

优选地，所述传输波导的宽和高对应WR12波导标准尺寸，且所述传输波导的横截面宽作为矩形波导短边。

优选地，所述脊波导缝隙天线包括脊波导结构以及设于脊波导结构上表面的缝隙槽，通过缝隙槽连接了内部波导腔和外部自由空间，让腔内电场能够辐射出去。

优选地，所述脊波导结构包括矩形腔和脊结构，脊结构的横截面是矩形，位于矩形腔下表面；所述缝隙槽位于矩形腔上表面，且呈左、右交错排布。

与现有技术相比，本发明的创新之处是采用非辐射边侧馈方案，完成层压板上传输线与波导的转换连接。其优点体现在：

1)用波导传输代替微带馈线传输，减少了传输损耗；

2)不同的阵列布局的雷达天线设计，可以只通过替换金属波导天线模块，保持射频板设计不变，降低量产成本；

3)采用波导缝隙天线代替传统的微带串馈天线，提高了辐射效率；

4)避免由于共面馈线绕线过多对天线辐射方向图的影响；

5)采用非辐射边侧馈的PCB波导转换结构，相比与传统的水平宽边波导转换，极大地缩小了转换结构的横向宽度，可以使不同通道的转换模块间隔更紧凑；

6)用非辐射边偏移馈电的PCB波导转换结构，相比于采用巴伦设计的窄边波导转换，结构更加简单和紧凑；

7)传输波导采用垂直放置，横向宽度即为波导短边，比水平放置的单脊波导宽度要小，而且传输损耗也优于后者，可以使不同通道传输波导间距更小。

附图说明

图1(a)为本发明车载雷达天线的三维视图；

图1(b)为本发明车载雷达天线的侧视图；

图2(a)为本发明层压板的侧视图；

图2(b)为本发明波导转换结构层压板部分的三维视图；

图3为本发明波导转换结构的三维视图；

图4为本发明波导极化旋转结构和脊波导缝隙天线的三维视图；

图5(a)为用作参考的接地共面波导馈线布布线的俯视图；

图5(b)为本发明于实施例中的波导馈线布线的俯视图；

图6为本发明的波导馈线布线和参考接地共面波导馈线布线的插损对比图；

图7为本发明的脊波导缝隙天线与微带串馈天线的辐射效率对比图；

图8(a)为用作参考的传统波导转换结构横向相邻排布俯视图；

图8(b)为本发明的波导转换结构横向相邻排布俯视图；

图9参考专利转换结构和本发明中波导转换结构三维视图；

图10(a)为实施例中的车载雷达天线阵列的三维视图；

图10(b)为实施例中的车载雷达天线阵列的俯视图；

图11(a)为实施例中的车载雷达天线阵中天线单元的反射系数图；

图11(b)为实施例中的车载雷达天线阵中天线单元的E面和H面辐射方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1(a)及图1(b)所示，本发明公开的一种车载雷达天线单元由：层压板1、波导结构2、极化旋转结构3和脊波导缝隙天线4组成。

结合图2(a)及图2(b)，层压板1由介质基板11和介质基板12组成。介质基板11的上下表面覆盖有铜箔，介质基板12的上下表面覆盖有铜箔。介质基板11和介质基板12通过半固化片13压合在一起。

微带线111蚀刻于介质基板11的上表面，并与介质基板11上表面的铜箔之间形成微带线避让区114。在微带线111旁添加两排金属接地孔112，由微带线111、微带线避让区114以及两侧的两排金属接地孔112共同形成接地共面波导结构，通过束缚在介质基板11和自由空间内的电场传输能量，降低微带线111的传输损耗。金属接地孔112连接介质基板11的上下表面铜箔。

辐射贴片113连接在微带线111的末端。辐射贴片113的前、后两边为窄边，为非辐射边，两条非辐射边沿纵向布置。辐射贴片113的左、右两边为宽变，为辐射边，两条辐射边沿横向布置。辐射贴片113与微带线111的连接点在辐射贴片113窄边一侧，实现非辐射边偏移馈电设计，这是为了让辐射贴片113的电流方向呈水平方向。辐射贴片113的左、右两边为辐射边，从设计上可以减小辐射贴片113的横向尺寸。辐射贴片113与微带线111的连接点不一定要在辐射贴片113一侧窄边的最边缘，只要连接点的位置不在辐射贴片113中间位置，且尽量接近边缘位置。连接点的位置相对于辐射贴片113中间位置偏移任意位置都可以形成水平极化的电流，具体偏移距离需配合阻抗匹配进行调节。辐射贴片113内部有两处沿横向伸展的水平开缝1131，且四边各有一处开槽1132，都是为了辐射贴片113的小型化设计和阻抗匹配。辐射贴片113与介质基板11的上表面铜箔之间有一段矩形避让区1133，矩形避让区1133与微带线避让区114连接在一起，在矩形避让区的外围添加一排金属接地孔1134。

如图3所示，波导结构2由微带避让腔21、辐射结构22和传输波导23组成。波导结构2是在金属结构件的内部挖空的结构，这里的金属结构件也可以是其他可以实现表面金属化工艺的结构件。波导结构2与介质基板11的上表面连接。

微带避让腔21是长方体结构，为了不影响连接辐射贴片113之前一段接地共面波导结构(由微带线111、微带线避让区域114和金属接地孔112组成)的场分布，微带避让腔21以接地共面波导结构为对称轴左、右对称，微带避让腔21的尺寸不影响结构最终性能，只要不因为尺寸过小而影响接地共面波导结构的场分布即可。辐射结构22也是长方体结构，满足正常的加工安装误差下，与层压板1接触的区域包含并大于矩形避让区域1133。辐射结构22与微带避让腔21连接在一起。传输波导23与辐射结构22连接，并且保持相同高度连接，传输波导23的宽和高对应WR12波导标准尺寸，传输波导23的横截面宽作为矩形波导短边，避免了横向尺寸过大，对波导走线布局造成影响。

结合图4，传输波导23利用合理的空间布局走线，连接指定位置的极化旋转结构3。极化旋转结构3由四块纵向长度相同的长方体腔31、32、33、34组成，四块长方体腔31、32、33、34的宽度顺序依次变大，且依次90度旋转相连，实现波导内电场极化方式由水平极化变成竖直极化，完成从竖直放置的传输波导23向水平放置的脊波导缝隙天线4的转换过渡。极化旋转结构3与传输波导23连接时，保持相同高度连接。

极化旋转结构3直接与脊波导缝隙天线4连接，并保持高度一致。脊波导缝隙天线4由矩形腔41、脊结构42和缝隙槽43组成。脊结构42的横截面是矩形结构，位于矩形腔41下表面。矩形腔41与脊结构42组合在一起形成脊波导结构，相比于标准波导减小了横向尺寸，实现波导结构小型化，便于天线组阵实现更小的天线单元间距。缝隙槽43位于矩形腔41上表面，缝隙槽43连接了内部波导腔和外部自由空间，让腔内电场可以辐射出去。缝隙槽43呈左、右交错排布，缝隙槽43的数量决定了最终车载雷达天线的口径，影响天线的波束宽度和增益。

本发明提出的车载雷达天线单元用波导传输代替微带馈线传输，极大改善了馈线的插入损耗。如图5(a)及图5(b)所示，同样的天线布局和芯片位置，图5(a)通过接地共面波导作为馈线等相设计，图5(b)通过本发明提出的层压板传输线转波导来实现馈线等相设计。在整个频带内，波导传输的插损要远远优于接地共面波导传输线。

本发明采用脊波导缝隙天线代替传统的微带串馈天线，极大地改善了天线的辐射效率，避免了由于和接地共面波导馈线共面对方向图的影响，如图7所示，本发明提供的脊波导缝隙天线对比常规微带串馈天线，整个频带内，都具有很高的辐射效率。

本发明采用非辐射边侧馈的PCB波导转换结构，相比与传统的水平宽边波导转换，极大地缩小了转换模块的横向尺寸，可以使多个横向排列分布的转换结构更紧凑。如图8(a)所示，传统水平波导转换结构由于辐射贴片采用垂直极化，在满足一定的传输性能下，横向尺寸无法做小，相邻转换结构之间的间距是3.9mm。而如图8(b)所示，本发明所设计的波导转换结构横向间距可以做到2.4mm，即使图8(a)通过辐射边开槽进行小型化处理，最终尺寸也不可能优于水平极化波导转换设计。通过该转换结构之后的波导横向宽度为矩形波导的短边，在满足截止频率的基础上选择WR12的标准波导尺寸，短边只有1.27mm，接近接地共面波导的横向宽度，在面对不同的阵面布局时，设计自由度接近传统微带天线布局。

如图9(a)和图9(b)所示，本发明采用非辐射边侧馈的PCB波导转换结构，对比公开号为CN111164825A的专利申请中的PCB波导转换结构，可以看出通过偏移馈电代替巴伦实现180°相位差设计，辐射贴片的结构更简单和紧凑，避免巴伦设计带来的与辐射贴片和周围金属地因为距离太近引起的干扰，从而限制了整个转换结构的横向尺寸。波导结构直接通过一次阻抗变换，实现接地共面波导和WR12波导的转换，相比现有专利申请中的腔体的多次变化，加工更加简单，优化也更加方便。注意关于微带避让腔21，只要满足技术方案描述中的要求即可，因此可以调整尺寸如图9(b)所示。

图10(a)以及图10(b)示意了由上述车载雷达天线单元组成的车载雷达天线阵列，其一共有四个通道，分别通过馈线连接四个前述的车载雷达天线单元，四个车载雷达天线单元共用一个层压板1。四个车载雷达天线单元所对应的四段接地共面波导结构的一端通过锡球焊点位置与芯片连接，另一端通过各自的辐射贴片113连接对应的波导结构2，保证四段接地共面波导传输线的插损和相位差一致。本实施例中，四个车载雷达天线单元所对应的四段传输波导23的插损和相位差保证一致。四段传输波导23分别利用合理的空间布局走线，连接指定位置的四个极化旋转结构3。四个车载雷达天线单元的四个极化旋转结构3的设计尺寸保证一致，且四个脊波导缝隙天线4的设计尺寸保证一致。

图6为实施例中的车载雷达天线阵中天线单元的反射系数和辐射方向图。

Claims (10)

1.一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，将左、右方向定义为横向，将前、后方向定义为纵向，其特征在于，所述车载雷达天线单元用波导传输代替微带馈线传输，包括：

形成于介质基板上表面的接地共面波导结构，接地共面波导结构包括：蚀刻在介质基板上表面的微带线，微带线的左、右两侧与覆盖在介质基板上表面的铜箔之间形成的微带线避让区，在微带线以及微带线避让区的左、右两侧分别设置的金属接地孔一，“金属接地孔一”记为第一金属接地孔；

连接于微带线末端的辐射贴片，辐射贴片的前、后两条非辐射边为窄边，辐射贴片的左、右两条辐射边为宽边，则辐射贴片与微带线的连接点在辐射贴片窄边一侧，从而实现非辐射边偏移馈电设计；辐射贴片与覆盖在介质基板上表面的铜箔之间有一段矩形避让区，矩形避让区与微带线避让区连接在一起，在矩形避让区的外围设有金属接地孔二，“金属接地孔二”记为第二金属接地孔；

波导结构，与介质基板的上表面连接，包括微带避让腔、辐射结构以及传输波导，其中：微带避让腔连接在介质基板的上表面，且位于接地共面波导结构的上方；辐射结构连接在介质基板的上表面，其与介质基板的接触的区域包含并大于矩形避让区域；微带避让腔与辐射结构相连，传输波导与辐射结构保持相同高度连接；

脊波导缝隙天线，通过脊波导缝隙天线连接内部波导腔和外部自由空间，让腔内电场能够辐射出去。

2.如权利要求1所述的一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，还包括极化旋转结构，所述波导结构经由极化旋转结构连接所述脊波导缝隙天线，用于实现波导内电场极化方式由水平极化变成竖直极化，完成从竖直放置的所述传输波导向水平放置的所述脊波导缝隙天线的转换过渡。

3.如权利要求2所述的一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，所述极化旋转结构包括从第一块长方体腔开始至最后一块长方体腔依次90度旋转相连的多块长方体腔；所有长方体腔的纵向长度相同，且所有长方体腔的宽度从第一块长方体腔开始依序变大。

4.如权利要求2所述的一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，所述极化旋转结构连接所述传输波导，且与所述传输波导保持相同高度；同时，所述极化旋转结构与所述脊波导缝隙天线保持相同高度。

5.如权利要求1所述的一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，所述辐射贴片与所述微带线的连接点的位置与辐射贴片相应窄边的中间位置存在距离偏移，具体偏移距离需配合阻抗匹配进行调节。

6.如权利要求1所述的一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，所述辐射贴片内部由至少一处沿横向伸展的水平开缝。

7.如权利要求1所述的一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，在所述辐射贴片的四条边中的至少一条边上形成由至少一处开槽。

8.如权利要求1所述的一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，所述传输波导的宽和高对应WR12波导标准尺寸，且所述传输波导的横截面宽作为矩形波导短边。

9.如权利要求1所述的一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，所述脊波导缝隙天线包括脊波导结构以及设于脊波导结构上表面的缝隙槽，通过缝隙槽连接了内部波导腔和外部自由空间，让腔内电场能够辐射出去。

10.如权利要求9所述的一种基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元，其特征在于，所述脊波导结构包括矩形腔和脊结构，脊结构的横截面是矩形，位于矩形腔下表面；所述缝隙槽位于矩形腔上表面，且呈左、右交错排布。