CN115219986A - 一种射频雷达感应构件装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频雷达感应构件装置及系统，通过FP天线结构中的Tx微带天线发射射频信号，所述射频信号经射频谐振模腔内部空间结构反复反射并增强信号后，从超表面波束共形异质天线载板上的微带结构阵列图案的缝隙发射到检测区域，经所述检测区域的动目标反射后，回波辐射信号再通过超表面波束共形异质天线载板上的微带结构阵列图案缝隙，传递到Rx微带天线，从而获取动目标的反射信号，并经放大和调制后，输出中频信号，交由MCU进行数据处理，输出对应的触发控制信号。通过两种不同材质类型的天线结构的组合设计，降低了雷达PCBA板的雷达发射功率，压缩了雷达射频信号发射的前向水平角与垂直角，提升了对不同介质体的穿透率，大幅度减少了雷达PCBA板的背向、侧向辐射强度与感应虚警率。

Description

一种射频雷达感应构件装置及系统

技术领域

本发明涉及雷达射频技术领域，尤其是涉及一种射频雷达感应构件装置及系统。

背景技术

比较传统的人体移动、存在感应技术，例如红外反射、热释红外、超声波等，微波雷达高频电磁波可以有效的穿透陶瓷、玻璃、塑胶等非金属材料，尽管会随材料材质、厚度产生高频损耗衰减，但可以通过调整发射线号强度、接收灵敏度阈值进行调整，且不受凝露、表面污渍影响，以其体积小、识别灵敏、不易受到环境干扰、信号信息量大等优势，在智能感应识别领域得到广泛的应用，例如人体的运动、存在、微动作识别等，用于自动控制、节能、安全监控领域，常见应用包括智能马桶、浴室镜柜控制、照明灯开关、家用电器控制、安全监控摄像头启动等。

雷达射频感应技术，采用发射无线电波信号，接收反射信号的方式，进行探测，陆续发展出CW（连续波）、FMCW（调频连续波）、FSK（移频键控）等发射信号方式，同时接收信号的数字处理软件技术日趋完善，在多普勒信号处理、测速、测距、测角度、微动作识别等得到实际应用。

为使雷达发射信号能够穿透一些非屏蔽性材料而达到需要识别距离位置，例如复合木板、塑胶材料、玻璃陶瓷等，或则使雷达能够识别微动作信号，例如脚部、手部的动作，常规的做法是加大天线的射频发射强度，以弥补介质穿透的衰减、增强微动作反射信号强度，这样的做法，在实验室环境，配合相应的接收信号处理软件，可以达到设计要求。然而，实际使用环境工况空间结构复杂，射频信号经透射、反射，发生的变化难以预测，经常发生异常触发（虚警）、无感应等失效情况。

射频感应雷达辐射的电磁波前瓣增益与辐照角度，是感应雷达系统的技术控制关键，控制背瓣、侧瓣强度是消除误动作、提升稳定性的基础。受到智能家电感应雷达的成本限制，一般感应雷达多采用矩形微带天线或阵列微带天线，对前瓣、背瓣基本不加控制措施，仅以调节触发阈值的方式进行权宜控制，以满足基本使用要求，容易带来自激、误触发、感应控制区域不清晰等问题。因此，简单的加大射频信号发射强度不是最佳的解决方法，需要对预定的应用场景，进行专门的设计。例如，对发射信号进行增强处理，提升其指向性以控制识别区域；降低背向、侧向辐射以减少虚警；提升接收信号的信噪比以增强对微动作识别能力等。总体而言，在预定的使用条件下，以比较合适的发射功率，达到预定的感应触发目标条件，是射频雷达感应构件系统应用的发展方向之一。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种射频雷达感应构件装置及系统，通过环绕圆柱形状的支撑结构，在该结构内部，建立适当射频雷达波发射，反复反射的谐振模腔内部空间，以及外部围护的环形屏蔽材料组成的圆型屏蔽环。当雷达PCBA板上的发射振子发射的射频信号，在谐振模腔内部空间反复反射并增强，最后从超表面组合结构的无源天线振子之间的缝隙，发射到该构件外部感应区域。

具体的，本发明提供了一种射频雷达感应构件装置，至少包括：

分别由前盖，屏蔽环和后盖组成的密闭空腔区域，在所述密闭空腔区域中设置FP天线结构，所述FP天线结构包括：

设置于PCBA板上的雷达模组。

设置于超表面波束共形异质天线载板；所述超表面波束共形异质天线载板与所述前盖贴合。

所述PCBA板设置于所述屏蔽环一端，与超表面波束共形异质天线载板构成射频谐振模腔内部空间结构；所述屏蔽环另一端嵌套在所述前盖外圈边沿槽中。

其中，所述雷达模组至少包括：

设置于所述PCBA板一面的雷达驱动芯片，及设置于所述PCBA板另一面且分布于所述雷达驱动芯片对应位置处两侧的Rx微带天线和Tx微带天线；

进一步的，所述雷达模组还包括：高阻表面HIS结构，所述高阻表面HIS结构与所述Rx微带天线和Tx微带天线在PCBA板的同一面，且呈环状包围式分布于所述PCBA板边沿四周。

所述高阻表面HIS结构具体为由内向外发散性分布的矩形阵列和缝隙沟道组成，所述矩形阵列分别按长短交错顺序排布；所述高阻表面HIS结构与所述PCBA板地板层电连接。

其中，所述超表面波束共形异质天线载板为一特定介电常数的绝缘材料载板；所述微带贴片阵列由金属微型片状图案构成，所述金属微型片状图案为按特定规律呈周期排列的特定文字和图案结构；所述特定文字和图案，至少为字符，矩形，圆形和V型中的任一种或几种；所述图案结构至少为矩形，扇形阵列，耶路撒冷形，六边形图案中的任一种或几种；所述特定文字和图案的间隔宽度设置为0.2mm至0.8mm之间。

优选的，所述PCBA板和所述超表面波束共形异质天线载板间距离为射频信号波长的1/32~1/8。

在所述前盖外圈边沿槽的两侧分别设置固定卡扣；在所述后盖与所述固定卡扣对应位置开设通槽；所述固定卡扣与所述通槽可拆卸连接，将所述屏蔽环和PCBA板固定。

进一步的，所述前盖内部采用灌封胶整体封装，形成整体固态结构，所述的灌封胶包括聚氨酯类、有机硅类、环氧树脂类。灌封结构将整体提升防护等级，达到在凝露、潮湿、霉变、水浸等环境中的使用条件，提升可靠性并延长使用寿命。

本发明提供了一种射频感应构件系统，通过FP天线结构4中的Tx微带天线发射射频信号，所述射频信号经射频谐振模腔内部空间结构反复反射并增强信号后，从超表面波束共形异质天线载板上的微带贴片阵列的缝隙发射到检测区域，经所述检测区域的动目标反射后，回波辐射信号再通过超表面波束共形异质天线载板上的微带结构阵列图案缝隙，传递到Rx微带天线，从而获取动目标的反射信号，并经放大和调制后，输出中频信号，由MCU进行数据处理，输出对应的触发控制信号。

综上所述，本发明提供一种射频雷达感应构件装置及系统，包括由射频雷达信号发射、接收微带天线以及信号处理电路构成的雷达PCBA板；置于雷达微带天线前方的超表面组合结构的共形无源天线振子介质板；通过环绕型状的支撑结构，使两者间隔适当距离构成射频谐振模腔内部空间结构，以及外部围护的环形屏蔽材料组成的圆型屏蔽环。当雷达PCBA板上的发射振子发射的射频信号，在谐振模腔内部空间反复反射并增强，最后从超表面组合结构的天线振子之间的缝隙，发射到该构件外部区域。当穿透陶瓷、塑胶、木质复合板等非金属介质材料的反射波，遇到移动人体/物体反射后，含带着叠加了多普勒频率的反射调制信号，穿透介质板上的无源天线振子阵列后，即超表面波束共形异质天线载板上的微带结构阵列图案缝隙后，到达雷达PCBA板上的微带接收天线，接收到的射频信号，经过放大、调制后，输出中频信号，由MCU进行数据处理，输出触发控制信号，供执行机构进行操作。

本发明，通过两种不同类型的天线结构的设计，降低雷达PCBA板的雷达发射功率，压缩了雷达射频信号发射的前向水平角与垂直角，提升了对不同介质体的穿透率，大幅度减少了雷达PCBA板的背向、侧向辐射强度与感应虚警率。本发明射频构件和系统，体积小巧，采用整体密封的构件方式，适合在智能马桶、水龙头、安全监控等潮湿甚至水浸环境中长时间稳{定工作。

附图说明

图1为本发明所述的一种射频雷达感应构件装置示意图。

图2为如图1所述的一种射频雷达感应构件装置侧面示意图。

图3为如图1所述的雷达模组示意图。

图4为如图1所述的超表面波束共形异质天线载板示意图。

其中，1-前盖；11-边沿槽；12-固定卡扣；13-天线定位柱；2-屏蔽环；3-后盖；31-通槽；4-FP天线结构；41-PCBA板；42-雷达模组；421-雷达驱动芯片；422-Rx微带天线；423-Tx微带天线；424-高阻表面HIS结构；43-超表面波束共形异质天线载板；44-微带结构阵列图案；45-定位孔；5-电源控制器；6-电源控制器出口；7-固定孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。

如图1-2所示，本发明所述的一种射频雷达感应构件装置，至少包括：分别由前盖1，屏蔽环2和后盖3组成的密闭空腔区域，在所述密闭空腔区域中设置FP天线结构4，所述FP天线结构4包括：

设置于PCBA板41上的雷达模组42；

设置于超表面波束共形异质天线载板43上的微带结构阵列图案44；所述超表面波束共形异质天线载板43与所述前盖1贴合；

所述PCBA板41设置于所述屏蔽环2一端，与所述超表面波束共形异质天线载板43构成射频谐振模腔内部空间结构；所述屏蔽环2另一端嵌套在所述前盖1外圈边沿槽11中。

通过FP天线结构4正向叠加高增益，可以提升发生信号的增益与调整前波瓣指向性。

其中，所述雷达模组42至少包括：

如图3所示，设置于所述PCBA板41一面的雷达驱动芯片421，及设置于所述PCBA板41另一面且分布于所述雷达驱动芯片421对应位置处两侧的Rx微带天线422和Tx微带天线423。

在所述Rx微带天线422和Tx微带天线423所在一面的PCBA板41边沿四周设置有高阻表面HIS结构424；优选的，所述PCBA板41为圆形，所述高阻表面HIS结构424为围绕所述PCBA板41圆形周围一圈，将所述Rx微带天线422和Tx微带天线423包围在PCBA板41中间。优选的，所述PCBA板41为圆形和高阻表面HIS结构424还可以是其他形状，如正方形，但不限于此，同理，所述高阻表面HIS结构424也是围绕PCBA板41外边沿分布开。

优选的，所述高阻表面HIS结构424具体为由内向外发散性分布的矩形阵列和缝隙沟道组成，所述矩形阵列分别按长短交错顺序排布；所述高阻表面HIS结构424与所述PCBA板41地板层电连接。

其中，本发明所设置的高阻表面HIS结构424，能够抑制电流在导体表面流动，使得导体表面附近的表面电流迅速衰减，从而减少边缘绕射及其引起的后向辐射损耗，能够明显抑制FP天线的后瓣并且使得前向增益得以提高。

本发明采用微带天线结构，天线周边布置HIS层；天线前端安装有超表面波束共形异质天线载板43，与雷达PCBA地板层形成FP天线结构，周边采用不锈钢材料封闭并封装于塑胶壳体内，构成本发明的电磁超表面组合结构的增强型谐振模腔和可变增益及方向的射频感应构件系统。进一步的，本发明采用X波段8 - 12 GHz中的10G波段，X波段是理想的感应雷达频段，从而避开了蜂窝通信干扰，又具备比毫米波更好的穿透性能，适合于智能家居等产品应用。

所述超表面波束共形异质天线载板43为一特定介电常数的绝缘材料载板；所述微带结构阵列图案44由金属微型片状图案构成，所述金属微型片状图案为按特定规律呈周期排列的特定文字和图案结构；所述特定文字和图案，至少为字符，矩形，圆形和V型中的任一种或几种；所述图案结构至少为矩形，扇形阵列，耶路撒冷形，六边形图案中的任一种或几种；所述特定文字和图案的间隔宽度设置为0.2mm至0.8mm之间。

如图4所示，优选的，超表面波束共形异质天线载板43上的金属微型片状图案由亚波长微结构单元周期性排布而成，允许电磁波的照射方向与材料平面垂直。电磁超表面具有类似于理想磁导体的，在特定频率范围内可以使平面波同相位反射的特性。除此之外，还可完成对电磁波的幅度、相位、极化方式和传播模式等特性的灵活有效调控，从而可以有效提高微带结构阵列图案44性能，减小雷达散射截面以及微波传输性能。

优选的，所述PCBA板41和所述超表面波束共形异质天线载板43间距离为射频信号波长的1/32~1/8。

优选的，所述屏蔽环2为耐腐蚀性屏蔽材料，壁厚为0.1~1.0mm。

优选的，在所述前盖1外圈边沿槽的两侧分别设置固定卡扣12；在所述后盖3与所述固定卡扣12对应位置开设通槽31；所述固定卡扣12与所述通槽31可拆卸连接，将所述屏蔽环2和PCBA板41固定。

在所述前盖1设置天线定位柱13，在所述超表面波束共形异质天线载板43对应所述定位柱13位置处设定位孔45，采用热压方式将超表面波束共形异质天线载板43固定在所述前盖1上。

前盖内部采用灌封胶整体封装，形成整体固态结构，所述的灌封胶包括聚氨酯类、有机硅类、环氧树脂类，优选的，采用低介电常数（<3.0），低高频损耗、低吸水率的有机硅类灌封胶。

为了方便使用，可选的在所述后盖3上开设电源与控制信号线出口，用于将电源控制器延伸出后盖3外侧。在前盖上开设固定孔7，便于采用粘结方式安装时，形成“胶钉”结构，提升粘结可靠性。

作为另一优选的，本发明还提供了一种射频感应构件系统，通过FP天线结构4中的Tx微带天线423发射射频信号，所述射频信号经射频谐振模腔内部空间结构反复反射并增强信号后，从超表面波束共形异质天线载板43上的微带结构阵列图案44的缝隙发射到检测区域，经所述检测区域的动目标反射后，回波辐射信号再通过超表面波束共形异质天线载板上的微带结构阵列图案缝隙，传递到Rx微带天线422，从而获取动目标的反射信号，并经放大和调制后，输出中频信号，由MCU进行数据处理，输出对应的触发控制信号。

在另一实施例中，本发明具体实施案例为设计实施了马桶脚感雷达开关，安装于陶瓷马桶支撑体的内壁下部，用脚部移动动作来控制的智能马桶，人手不必与马桶盖板、坐垫圈接触，即可完成翻盖、冲水等动作，有益于提升使用感受，避免手部接触带来的交叉感染卫生问题。智能马桶内部空间较小，结构布局紧凑，金属材料、旋转电机执行机构使用较多，电磁环境复杂，使用中存在水雾、凝露、温度瞬变等情况，简单的发射与接收雷达方式难以适用。本发明采用FP天线结构，以较小的发射功率，实现敏锐可靠的雷达感应，全面抑制背向、侧向波瓣，大幅度降低虚警。

本发明，通过两种不同类型的天线结构的设计，降低雷达PCBA板的雷达发射功率，压缩了雷达射频信号发射的前向水平角与垂直角，提升了对不同介质体的穿透率，大幅度减少了雷达PCBA板的背向、侧向辐射强度与感应虚警率。本发明射频构件和系统，体积小巧，采用整体密封的构件方式，适合在智能马桶、水龙头、安全监控等潮湿甚至水浸环境中长时间稳定工作。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种射频雷达感应构件装置，其特征在于，至少包括：分别由前盖（1），屏蔽环（2）和后盖（3）组成的密闭空腔区域，在所述密闭空腔区域中设置FP天线结构（4），所述FP天线结构（4）包括：

设置于PCBA板（41）上的雷达模组（42）；

设置于超表面波束共形异质天线载板（43）上的微带结构阵列图案（44）；所述超表面波束共形异质天线载板（43）与所述前盖（1）贴合；

所述PCBA板（41）设置于所述屏蔽环（2）一端，与所述超表面波束共形异质天线载板（43）构成射频谐振模腔内部空间结构；所述屏蔽环（2）另一端嵌套在所述前盖（1）外圈边沿槽（11）中。

2.根据权利要求1所述的一种射频雷达感应构件装置，其特征在于，所述雷达模组（42）至少包括：

设置于所述PCBA板（41）一面的雷达驱动芯片（421），及设置于所述PCBA板（41）另一面且分布于所述雷达驱动芯片（421）对应位置处两侧的Rx微带天线（422）和Tx微带天线（423）。

3.根据权利要求2所述的一种射频雷达感应构件装置，其特征在于，所述雷达模组（42）还包括：高阻表面HIS结构（424），所述高阻表面HIS结构（424）与所述Rx微带天线（422）和Tx微带天线（423）在PCBA板（41）的同一面，且呈环状包围式分布于所述PCBA板（41）边沿四周。

4.根据权利要求3所述的一种射频雷达感应构件装置，其特征在于，所述高阻表面HIS结构（424）具体为由内向外发散性分布的矩形阵列和缝隙沟道组成，所述矩形阵列分别按长短交错顺序排布；所述高阻表面HIS结构（424）与所述PCBA板（41）地板层电连接。

5.根据权利要求4所述的一种射频雷达感应构件装置，其特征在于，所述超表面波束共形异质天线载板（43）为一特定介电常数的绝缘材料载板；所述微带结构阵列图案（44）由金属微型片状图案构成，所述金属微型片状图案为按特定规律呈周期排列的特定文字和图案结构；所述特定文字和图案，至少为字符，矩形，圆形和V型中的任一种或几种；所述图案结构至少为矩形，扇形阵列，耶路撒冷形，六边形图案中的任一种或几种；所述特定文字和图案的间隔宽度设置为0.2mm至0.8mm之间。

6.根据权利要求5所述的一种射频雷达感应构件装置，其特征在于，还包括：所述PCBA板（41）和所述超表面波束共形异质天线载板（43）间距离为射频信号波长的1/32~1/8。

7.根据权利要求6所述的一种射频雷达感应构件装置，其特征在于，所述屏蔽环（2）为耐腐蚀性屏蔽材料，壁厚为0.1~1.0mm。

8.根据权利要求7所述的一种射频雷达感应构件装置，其特征在于，还包括：在所述前盖（1）外圈边沿槽的两侧分别设置固定卡扣（12）；在所述后盖（3）与所述固定卡扣（12）对应位置开设通槽（31）；所述固定卡扣（12）与所述通槽（31）可拆卸连接，将所述屏蔽环（2）和PCBA板（41）固定。

9.根据权利要求8述的一种射频雷达感应构件装置，其特征在于，还包括：所述前盖（1）内部采用灌封胶整体封装，形成整体固态结构，所述的灌封胶包括聚氨酯类、有机硅类、环氧树脂类。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种射频雷达感应构件装置的系统，其特征在于，包括：

通过FP天线结构（4）中的Tx微带天线（423）发射射频信号，所述射频信号经射频谐振模腔内部空间结构反复反射并增强信号后，从超表面波束共形异质天线载板（43）上的微带结构阵列图案（44）的缝隙发射到检测区域，经所述检测区域的动目标反射后，回波辐射信号再通过超表面波束共形异质天线载板上的微带结构阵列图案缝隙，传递到Rx微带天线（422）从而获取动目标的反射信号，并经放大和调制后，输出中频信号，由MCU进行数据处理，输出对应的触发控制信号。

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