CN116031663A - 一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于车载毫米波雷达天线技术领域，公开了一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，包括矩形介质基板、微带串馈线型结构、金属底板和阻抗匹配传输线，微带串馈线型结构由多个呈线性排列的矩形贴片和微带线组成，并且为了补偿电流在有耗导体中传播时幅度和相位的波动，各个矩形贴片沿微带串馈线型结构中轴线方向的垂直尺寸和各个微带线长度方向的尺寸均是不相等的；微带串馈线型结构和金属底板分别附着在矩形介质基板的上表面层和下表面层；微带串馈线型结构与阻抗匹配传输线之间通过一段矩形微带线相连接。本发明的具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线具有高指向精度、高增益的特点，能够应用于车载毫米波雷达天线领域。

Description

一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线

技术领域

本发明属于车载毫米波雷达天线技术领域，尤其涉及一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，可用于车载毫米波雷达。

背景技术

目前，汽车的辅助驾驶和自动驾驶正处于快速发展阶段，并且，随着汽车数量的日益增加，驾驶安全性变得更加重要，因此，对车载毫米波雷达的性能提出了更高的要求。通常，应用于汽车的传感器主要有视觉相机传感器、激光雷达传感器和毫米波雷达传感器。然而，视觉相机传感器和激光雷达传感器容易受到天气等自然环境的影响，同时，视觉相机传感器后续的视觉图像处理需要强大的算力支持，激光雷达传感器技术落地成本高。毫米波雷达传感器具有较强的穿透力和抗干扰的能力，能够适应多种工作环境的要求。因此，相比于视觉相机传感器和激光雷达传感器，毫米波雷达传感器更具优势。

对于毫米波雷达而言，天线作为毫米波雷达的核心器件之一，直接决定了毫米波雷达的探测精度。天线辐射方向图的波束指向性对于毫米波雷达的探测精度具有重要影响。辐射方向图的波束指向性越高，毫米波雷达的探测精度也就越高。然而，对于传统的车载毫米波雷达天线，在天线的设计过程中，天线的辐射方向图存在的波束偏转问题并未考虑，这就导致所设计天线的辐射方向图的主波束会产生一定偏转。当天线辐射方向图的主波束产生偏转后，就会降低车载毫米波雷达系统对于关键目标的信息感知能力，进而可能会引起交通事故，威胁驾驶人员的生命安全。因此，抑制波束偏转对于提高车载毫米波雷达的探测精度和减小交通事故的发生率具有重要意义。

申请公布号为CN108470090A,名称为“准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法”的专利申请，公开了一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线,采用电磁场全波仿真软件与差分进化算法相结合进行天线参数联合优化，进而使得准均匀阵元间距的串馈微带天线的副瓣电平接近于切比雪夫理论解给出的副瓣电平，然而，在天线的仿真设计过程中，未将有耗导体金属层厚度对电流幅度和相位的影响考虑在内，导致天线的仿真结果和测量结果之间存在一定的偏差。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

当前的毫米波低副瓣电平串馈微带天线未考虑电流在有耗导体中传播时的幅度和相位波动，因此，其实际天线的辐射方向图均存在波束偏转的现象。由于微带贴片天线的对称结构，波束偏转一般发生在辐射方向图的E面上，并不会发生在H面上。对于无源的矩形贴片微带串馈线型阵列天线，波束偏转的问题将会一直存在；对于有源的矩形贴片微带串馈线型阵列天线，天线自身所产生的波束偏转问题不能通过相控阵系统的幅度和相位补偿所解决。

解决以上问题及缺陷的难度为：当电流在有耗导体中传播时，在幅度和相位的补偿过程中，不能精确得出各个矩形贴片幅度和相位的波动值。并且各个矩形贴片天线单元的宽度补偿值不能与其所需的幅度值进行精准的对应；相邻两个矩形贴片天线单元之间传输线长度的补偿值不能与其所需的相位值进行精准的对应。

解决以上问题及缺陷的意义为：辐射方向图主波束的高指向精度、高增益和低副瓣能够提高车载毫米波雷达获取关键目标信息的能力和增加其目标探测精度和探测距离。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，用于解决现有技术中存在的因幅度和相位波动所导致的辐射方向图主波束偏转的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案，包括周期性排布的多个辐射单元；所述辐射单元包括矩形介质基板1、印制在矩形介质基板1上表面的微带串馈线型结构2、下表面的金属底板3以及与微带串馈线型结构2相连接的阻抗匹配传输线4；

所述微带串馈线型结构2包括服从切比雪夫幅度分配的多个呈线性排列的矩形贴片21以及连接相邻矩形贴片21的微带线22，所述矩形贴片21沿与所述微带串馈线型结构2长度方向的中轴线的垂直尺寸与所述矩形贴片21的幅度成正比，所述微带串馈线型结构2，其中各微带线22的长度须满足使所有矩形贴片21的相位相等；

阻抗匹配传输线4连接在微带串馈线型结构2的一端。

进一步，所述阻抗匹配传输线4与所述微带串馈线型结构2之间通过矩形微带线23连接。

进一步，所述微带串馈线型结构2、矩形微带线23、阻抗匹配传输线4和金属底板3的表面均进行抗氧化处理。

进一步，所述阻抗匹配传输线4和所述矩形微带线23均位于所述矩形介质基板1长度方向的中轴线上。

进一步，所述微带串馈线型结构2位于所述矩形介质基板1长度方向的中轴线上。

进一步，所述服从切比雪夫幅度分配的多个呈线性排列的矩形贴片21，是指多个矩形贴片21沿与微带串馈线型结构2长度方向中轴线上的垂直尺寸变化量符合切比雪夫幅度分布，平行尺寸均相等。

进一步，所述微带串馈线型结构2，其中连接相邻矩形贴片21的微带线22的宽度相等。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

通过改变矩形贴片沿微带串馈线阵线型结构中轴线方向的垂直尺寸和微带线的长度对电流在有耗导体中传播时所产生的幅度和相位波动进行补偿，使得各个矩形贴片的幅度服从切比雪夫分布且相位相等，进而解决了微带串馈线阵存在的波束偏转问题，实现了微带串馈线型阵列天线辐射方向图主波束的高指向精度、提高了增益和降低了副瓣，有效的提高了车载毫米波雷达的探测精度。

附图说明

图1是本发明辐射单元的结构示意图。

图2是本发明辐射单元的结构参数图。

图3是本发明提供的辐射单元的反射系数和实际增益仿真结果图。

图4是本发明提供的辐射单元的E面辐射方向图的仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线包括周期性排布的多个辐射单元。

参照图1，辐射单元包括矩形介质基板1、印制在矩形介质基板1上表面的微带串馈线型结构2、下表面的金属底板3以及与微带串馈线型结构2相连接的阻抗匹配传输线4。微带串馈线型结构2是辐射电磁波的主要结构。微带串馈线型结构2包括多个呈线性排列的矩形贴片21和微带线22，其中，各个矩形贴片21沿微带串馈线型结构2中轴线方向的垂直尺寸不相等，此垂直尺寸与矩形贴片21的幅度成正比例关系，并且各个微带线22长度不相等，各个微带线22的长度需要保证各个矩形贴片21的相位相等，目的是为了对电流在有耗导体中传播时所引起的幅度和相位波动进行补偿，进而抑制天线的辐射方向图的E面主波束产生偏转，同时，在对幅度和相位的波动进行补偿后，天线的辐射方向图增益会轻微增加、副瓣会轻微降低。各个矩形贴片21沿微带串馈线型结构2中轴线垂直方向的尺寸与其自身的幅度相关；各个微带线22的长度与其自身的相位相关，同时微带线22长度的变化量需保证所述微带串馈线型结构2的多个呈线性排列的矩形贴片21的相位相等；各个微带线22的宽度决定其自身的阻抗，并且其自身阻抗应该与矩形贴片(21)的边缘阻抗相匹配。阻抗匹配传输线4可直接与毫米波芯片相连接或者与阵列天线的馈电网络相连接。

本发明所提供的辐射单元的电磁工作频率为77GHz。矩形介质基板1的介电常数为2.2，厚度为0.254mm，同时矩形介质基板1宽度方向上的尺寸可以根据实际需求来进行适当的调整；微带串馈线型结构2、矩形微带线23、阻抗匹配传输线4和金属底板3的材料为铜，厚度为0.035mm；如图2所示，为了防止铜材料被氧化，需要对微带串馈线型结构2、矩形微带线23、阻抗匹配传输线4和金属底板3进行表面抗氧化处理，其中，表面抗氧化处理的材料采用金，金的厚度为0.05mm。在HFSS软件中对所设计的辐射单元进行仿真时，在HFSS软件中，为了将电流在有耗金属导体中传播时的幅度和相位波动考虑在内，结合天线的实际加工要求，铜层和金属层应设置相应的厚度，铜层的厚度在仿真软件中设置为0.035mm，金层的厚度在仿真软件设置为0.05mm。

图1展示了具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线的整体结构示意图。图2展示了具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线中微带串馈线型结构2中的各个矩形贴片21沿微带串馈线型结构2中轴线垂直方向的尺寸和各个微带线22的长度。其中，#1号阵元的垂直尺寸为0.42mm；#2阵元的垂直尺寸为0.95mm，与其相位相关的微带线的长度为1.33mm；#3阵元的垂直尺寸为1.43mm，与其相位相关的微带线的尺寸为1.34mm；#4号阵元的垂直尺寸为1.78mm；与其相位相关的微带线的尺寸为1.38mm；#1′号阵元的垂直尺寸为1.7mm；与其相位相关的微带线的尺寸为1.35mm；#2′号阵元的垂直尺寸为1.33mm；与其相位相关的微带线的尺寸为1.3mm；#2′号阵元的垂直尺寸为1.33mm；与其相位相关的微带线的尺寸为1.3mm；#3′号阵元的垂直尺寸为0.93mm；与其相位相关的微带线的尺寸为1.32mm；#4′号阵元的垂直尺寸为0.45mm；与其相位相关的微带线的尺寸为1.31mm；各个微带线的垂直尺寸均为0.25mm；矩形微带线的长度为2mm，垂直尺寸为0.25mm；阻抗匹配传输线的长度为2.5mm，垂直尺寸为0.6mm。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明。

1、仿真条件和内容：

仿真软件采用HFSS 19.0，对本发明所涉及的具有抑制波束偏转功能的辐射单元进行仿真。

仿真1，对本发明的反射系数和实际增益进行对比仿真，其结果如图3所示。

仿真2，对本发明在76.2GHz、76.4GHz、76.6GHz和76.8GHz频点处的E面辐射方向图进行仿真。其结果如图4所示。

2、仿真结果分析

参照图3，在76GHz到77GHz的频段范围内，本发明所涉及的具有抑制波束偏转功能的辐射单元的反射系数低于-10dB；在76GHz到78GHz的频段范围内，其实际增益值均高于15dB，且实际增益值较为稳定。

参照图4，在76.2GHz、76.4GHz、76.6GHz和76.8Ghz的频点处，辐射单元方向图的E面主波束具有良好的指向精度。

通过对图3和图4进行分析可得，本发明具有较高的波束指向精度，天线的增益较高，副瓣较低。

因此，本发明解决了车载毫米波雷达微带串馈线型阵列天线存在的波束偏转问题，极大的提高了车载毫米波雷达系统的探测精度，有效的提高了驾驶安全性，能够应用于车载毫米波雷达天线领域。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，包括周期性排布的多个辐射单元；所述辐射单元包括矩形介质基板(1)、印制在矩形介质基板(1)上表面的微带串馈线型结构(2)、下表面的金属底板(3)以及与微带串馈线型结构(2)相连接的阻抗匹配传输线(4)；其特征在于，所述微带串馈线型结构(2)包括服从切比雪夫幅度分配的多个呈线性排列的矩形贴片(21)以及连接相邻矩形贴片(21)的微带线(22)，所述矩形贴片(21)沿与所述微带串馈线型结构(2)长度方向的中轴线的垂直尺寸与所述矩形贴片(21)的幅度成正比，所述微带串馈线型结构(2)，其中各微带线(22)的长度须满足使所有矩形贴片(21)的相位相等；阻抗匹配传输线(4)连接在微带串馈线型结构(2)的一端。

2.根据权利要求1所述的一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，其特征在于，所述阻抗匹配传输线(4)与所述微带串馈线型结构(2)之间通过矩形微带线(23)连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，其特征在于，所述微带串馈线型结构(2)、矩形微带线(23)、阻抗匹配传输线(4)和金属底板(3)的表面均进行抗氧化处理。

4.根据权利要求3所述的一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，其特征在于，所述阻抗匹配传输线(4)和所述矩形微带线(23)均位于所述矩形介质基板(1)长度方向的中轴线上。

5.根据权利要求1所述的一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，其特征在于，所述微带串馈线型结构(2)位于所述矩形介质基板(1)

长度方向的中轴线上。

6.根据权利要求1所述的一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，其特征在于，所述服从切比雪夫幅度分配的多个呈线性排列的矩形贴片(21)，是指多个矩形贴片(21)沿与微带串馈线型结构(2)长度方向中轴线上的垂直尺寸变化量符合切比雪夫幅度分布，平行尺寸均相等。

7.根据权利要求1所述的一种具有抑制波束偏转功能的微带串馈线型阵列天线，其特征在于，所述微带串馈线型结构(2)，其中连接相邻矩形贴片(21)的微带线(22)的宽度相等。

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