CN116031626B - 一种高增益毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高增益毫米波天线，包括由下到上设置的介质板、接地板和PCB表层地、主馈线、调节阵列相位的微带传输线、圆柱形辐射阵元、表层的定位栅格，在接地板和PCB表层地之间设置连接通孔；其中，微带传输线垂直设置在PCB表层地上，多个圆柱形辐射阵元等距设置在微带传输线上；主馈线为圆弧形，设置在介质板上，和微带传输线连接；定位栅格包括4个，其中两个定位栅格设置在微带传输线一侧，且和微带传输线距离相等，另两个定位栅格与上述两个定位栅格对称设置在微带传输线另一侧。本发明有效避免出现阵元起翘的问题，易加工，可增加天线辐射效率和增益。

Description

一种高增益毫米波天线

技术领域

本发明属于毫米波天线技术领域，尤其涉及一种高增益毫米波天线。

背景技术

如今，超声波雷达 、激光雷达被广泛应用在第二代自适应驾驶辅助系统中，形成了更加智能的高级驾驶辅助系统。但是，这两种雷达都存在着一个共同的问题，超声波和激光信号受大气和环境的影响大，在极端天气下会发生剧烈的衰减，从而影响探测的精确度。而毫米波雷达的工作频段一般在30-300GHz，它的工作频带宽，谐振频点高，具有更强的穿透能力，可以不受天气环境和白天黑夜的影响实现全天候全时段的工作。毫米波雷达因为其波长短的特性，具有体积小、分辨率高、识别精度高、探测距离远等诸多优点。

因此民用毫米波雷达作为目前蓬勃发展的高新产业，对比激光雷达和视频取像技术，在成本和实用性上具备较大的优势。而天线作为收发信号的接收器，关键性能参数如增益、主瓣宽度、旁瓣电平等对整个雷达系统起着关键的作用。

对旁瓣电平而言， 较低的旁瓣电平可以实现更低的误报和增强雷达抗干扰性。目前有许多降旁瓣的方法，其中较为常用的主要包括采用不同的加权函数，对阵元进行幅度锥削，以获得较低的旁瓣电平。此种方案取得了性能优良的理论效果，但实际雷达在使用过程中，较长的馈线会抬升旁瓣电平。因此通常为抑制旁瓣电平，单个阵元及馈线宽度的理论值会小于0.1mm，所以在加工、产品转运或者长时间暴露在空气中时，可能出现阵元起翘，由此带来天线增益下降和旁瓣电平恶化；

同时，中长距离雷达会采用波导或者波导缝隙阵列天线作为发射/接收器件，对于民用雷达而言，受国内加工精度及工艺限制，通常波导/波导缝隙阵列天线的成本会高于整个雷达的价格，不利于产品推广。如图1所示的缝隙天线3D结构图，从上至下依次分为辐射缝隙层，介质通孔层，耦合馈电层以及底部介质层。尤其在毫米波频段，加工工艺造成的偏差会影响雷达的工作性能。

发明内容

有鉴于此，本发明基于车载雷达对天线系统高辐射效率和小尺寸的需求，基于罗杰斯4830型号高频板材（介电常数为3.2，损耗正切值为0.0033，厚度为0.127mm），提出一款工作频率在77GHz到81GHz的高增益圆柱形阵元串馈阵列天线，高增益主要是通过减小介质基基板的损耗来获得。同时末端在PCB板上增加一段微带线用于调谐整个阵列的相位。PCB表层最小线宽0.3mm，方便加工。同时在PCB表层接地增加定位栅格，提升将圆柱形辐射单元焊接在PCB的表层的准确度。

本发明公开的高增益毫米波天线包括由下到上设置的介质板1、接地板5和PCB表层地7，还包括：主馈线2、调节阵列相位的微带传输线3、圆柱形辐射阵元4、表层的定位栅格6，在接地板5和PCB表层地7之间设置连接通孔8；

其中，微带传输线3垂直设置在PCB表层地7上，多个圆柱形辐射阵元4等距设置在微带传输线3上；

主馈线2设置在介质板1上，和微带传输线3连接；

定位栅格6包括4个，其中两个定位栅格6设置在微带传输线3一侧，且和微带传输线3距离相等，另两个定位栅格6与上述两个定位栅格6对称设置在微带传输线3另一侧。

进一步的，其中介质板1采用的高频材料为罗杰斯4830板材，介电常数和损耗角分别为3.2和0.0033，厚度为0.127mm。

进一步的，接地板5的长宽高分别为40mm、35mm和0.025mm。

进一步的，圆柱形阵元间距d=2.4mm，相位匹配传输线线长lt=2.0mm, 线宽wt=0.3mm，辐射单元半径r=0.65mm，高度h=0.8mm。

进一步的，所述主馈线2为圆周的1/4。

进一步的，所述圆柱形辐射阵元4为4个。

进一步的，在4个定位栅格(6)的中间有一个发射天线，在4个定位栅格(6)的中间有一个或多个接收天线。

进一步的，发射天线之间的距离为λ，接收天线之间的距离为λ/2，λ为天线在真空中的雷达频段工作波长。

本发明的有益效果如下。

1）本发明最小线宽0.3mm，远大于常规天线的最小线宽0.1mm，且微带线上焊接有圆柱形辐射体，可以有效避免出现阵元起翘的问题。

2）本发明可以采用常规焊接加工技术，易加工，结构精密度和成本将远小于使用波导/波导缝隙阵列的雷达。

3）由于采用圆柱形辐射体，电场多分布于圆柱阵元之间，介质中的损耗较小，因此本发明可以增加天线辐射效率和增益。

附图说明

图1传统的缝隙天线3D结构图；

图2本发明天线主视图；

图3本发明天线侧视图；

图4本发明天线阵列关键尺寸；

图5本发明天线圆柱形阵元尺寸；

图6本发明圆形平面阵元串馈阵；

图7本发明圆柱形阵元串馈阵；

图8圆柱形阵元串馈阵的S参数；

图9圆形平面阵元串馈阵电场分布图；

图10圆柱形阵元串馈阵电场分布；

图11总辐射效率对比；

图12阵列2维方向图对比。

1-介质板，2-主馈线，3-微带传输线，4-圆柱形辐射阵元，5-接地板，6-表层的定位栅格，7-PCB表层地，8-接地板和PCB表层地之间的连接通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明的毫米波天线的详细结构如图2和图3所示，有介质板1、主馈线2，调节阵列相位的微带传输线3、圆柱形辐射阵元4、接地板5、表层的定位栅格6，PCB表层地7、接地板5和PCB表层地7之间的连接通孔8。

其中介质板1采用的高频材料为罗杰斯4830板材，介电常数和损耗角分别为3.2和0.0033，厚度为0.127mm。

地板层5的长宽高分别为40mm,35mm和0.025mm。

如图4、图5所示，具体天线方案如下：圆柱形阵元间距d=2.4mm，相位匹配传输线线长lt=2.0mm, 线宽wt=0.3mm。辐射单元半径r=0.65mm，高度h=0.8mm。在一些实施例中，主馈线2的形状为圆弧形，为圆周的1/4。

为验证圆柱体辐射单元的高辐射效率，如图6、图7所示，对微带串馈阵和圆柱形辐射阵做如下布阵仿真，其中λ为天线在真空中的78G工作波长，并且两个发射天线Tx1和Tx2，以及4个接收天线Rx1-Rx4构成2发4收的天线阵列（接收天线两侧的两个天线为“哑元”，仅设置传输线，不连接主馈线，不起实际的辐射作用，做接地处理，用于增加收发天线之间的隔离度）。仿真结果表面，圆柱形串馈阵具有较高的辐射效率。

在一些实施例中，发射天线之间的间隔为λ，接收天线之间的间隔为λ/2。在4个定位栅格6的中间有一个发射天线，在4个定位栅格6的中间有一个或多个接收天线。

主馈线2长度要求保持一致，避免引入相位差异和简化后期算法处理流程。综合考虑PCB板上的布线空间，经过实验，本实施例中中发射天线主馈线长度为工作频率的5倍波长，4个接收天线主馈线长度的长度为1.5倍波长，可以将馈线衰减降到最低。

图8为圆柱形阵列天线的S参数，图形横坐标为频率，单位为GHz。纵坐标为S参数值，单位为dB。该非对称天线在77GHz-81GHz带宽内，具备良好的工作能力。

2.78GHz两种天线阵列的电场分布对比如图9、图10所示，采用圆形平面阵元串馈阵，在78GHz处的电场分布大多通过介质板1垂直于接地板5。对比采用圆柱形辐射阵元的天线阵列，大部分电场将分布在圆柱形辐射体之间，因此介质损耗小，辐射效率大大提升。

两者的辐射效率对比结果如图11所示，其中在76-81G内，采用圆柱形辐射体的阵列天线总的辐射效率将提升一倍，有利于增加雷达的探测距离。

两种阵列的俯仰和方位面对比如图12，横坐标代表不同角度，纵坐标为增益值。本发明的圆柱形阵元阵列天线具有高增益的特性，且方位面角度比圆形平面阵元串馈阵的天线角度要宽，圆柱形串馈阵3dB方位面角度80°，圆形平面阵元串馈阵3dB方位面角度75°，圆柱形串馈阵俯仰面旁瓣电平-17dB，而圆形平面阵元串馈阵俯仰面旁瓣电平-15dB。

本发明的有益效果如下。

1）本发明最小线宽0.3mm，远大于常规天线的最小线宽0.1mm，且微带线上焊接有圆柱形辐射体，可以有效避免出现阵元起翘的问题。

2）本发明可以采用常规焊接加工技术，易加工，结构精密度和成本将远小于使用波导/波导缝隙阵列的雷达。

3）由于采用圆柱形辐射体，电场多分布于圆柱阵元之间，介质中的损耗较小，因此本发明可以增加天线辐射效率和增益。

本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。

而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。

本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。

综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高增益毫米波天线，包括由下到上设置的介质板(1)、接地板(5)和PCB表层地(7)，其特征在于，还包括：主馈线(2)、调节阵列相位的微带传输线(3)、圆柱形辐射阵元(4)、表层的定位栅格(6)，在接地板(5)和PCB表层地(7)之间设置连接通孔(8)；

其中，微带传输线(3)垂直设置在PCB表层地(7)上，多个圆柱形辐射阵元(4)等距设置在微带传输线(3)上；

主馈线(2)设置在介质板(1)上，和微带传输线(3)连接；

定位栅格(6)包括4个，其中两个定位栅格(6)设置在微带传输线(3)一侧，且和微带传输线(3)距离相等，另两个定位栅格(6)与上述两个定位栅格(6)对称设置在微带传输线(3)另一侧。

2.根据权利要求1所述的高增益毫米波天线，其特征在于，其中介质板(1)采用高频材料，介电常数和损耗角分别为3.2和0.0033，厚度为0.127mm。

3.根据权利要求1所述的高增益毫米波天线，其特征在于，接地板(5)的长宽高分别为40mm、35mm和0.025mm。

4. 根据权利要求1所述的高增益毫米波天线，其特征在于，圆柱形阵元间距d=2.4mm，相位匹配传输线线长lt=2.0mm, 线宽wt=0.3mm，辐射单元半径r=0.65mm，高度h=0.8mm。

5.根据权利要求1所述的高增益毫米波天线，其特征在于，所述主馈线(2)为圆弧形，为圆周的1/4。

6.根据权利要求1所述的高增益毫米波天线，其特征在于，所述圆柱形辐射阵元(4)为4个。

7.根据权利要求1所述的高增益毫米波天线，其特征在于，在4个定位栅格(6)的中间有一个发射天线，在4个定位栅格(6)的中间有一个或多个接收天线。

8.根据权利要求7所述的高增益毫米波天线，其特征在于，发射天线之间的距离为λ，接收天线之间的距离为λ/2，λ为天线在真空中的雷达频段工作波长。

9.根据权利要求7所述的高增益毫米波天线，其特征在于，发射天线主馈线(2)长度为雷达工作频率波长的5倍，接收天线主馈线(2)的长度为雷达工作频率波长的1.5倍。

10.根据权利要求7所述的高增益毫米波天线，其特征在于，接收天线两侧设置隔离天线阵元，所述隔离天线阵元仅包括微带传输线(3)，不连接主馈线(2)。

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