CN116995437B - 间隙波导天线及车载毫米波雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间隙波导天线及车载毫米波雷达，所述天线包括辐射层、间隙波导结构和底部层，所述辐射层、间隙波导结构和底部层从上到下依次排列设置，所述辐射层与间隙波导结构形成第二空气间隙，辐射层上设置有辐射槽组，所述辐射槽组采用共线排布形式，用于产生辐射信号，所述底部层上设置有第二矩形槽，间隙波导结构包括第二销钉周期结构和内嵌销钉结构，所述第二销钉周期结构位于第二矩形槽的两侧，第二销钉周期结构围成间隙波导腔，所述内嵌销钉结构嵌入到间隙波导腔。本发明天线可以有效提高能量或电磁波的传输效率，且与传统波导天线相比，加工装配的难度大大降低。

Description

间隙波导天线及车载毫米波雷达

技术领域

本发明涉及一种间隙波导天线及车载毫米波雷达，属于车载雷达技术领域。

背景技术

车载毫米波雷达随着收发天线通道数的增加，雷达的面积增大，其中的一些收发天线将不可避免地要布置在远离雷达芯片的位置，这将导致雷达芯片到天线的馈线损耗大大增加。

随着高频技术和毫米波技术的不断发展，低损耗的平面天线得到了很好的应用。波导天线对于高频上的应用是一种很好的选择，其传输损耗较低，且天线和馈线可以上下堆叠设计，可以大大减小雷达的面积。

然而，在毫米波频段尤其是77GHz的车载毫米波雷达频段，传统波导天线通过铆钉和螺丝紧固的方式来实现波导层之间的贴合很难在77GHz的车载毫米波雷达频段应用。因为这种方式很难保证波导层间在当前的高频率下不存在能量泄露，当波导层之间存在能量泄露时，天线性能将急剧恶化；目前，车载毫米波雷达行业对波导天线的层间贴合工艺尚未成熟，当前技术采用的回流焊接或者导电胶贴合工艺对天线的加工精度要求较高，且贴合良品率低，导致天线加工成本和组装成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种间隙波导天线及车载毫米波雷达，其能够降低传输损耗，有效提高能量或电磁波的传输效率。

本发明的第一个目的在于提供一种间隙波导天线。

本发明的第二个目的在于提供一种包含上述间隙波导天线的车载毫米波雷达。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种间隙波导天线，包括辐射层、间隙波导结构和底部层，所述辐射层、间隙波导结构和底部层从上到下依次排列设置，所述辐射层与间隙波导结构形成第二空气间隙，辐射层上设置有辐射槽组，所述辐射槽组采用共线排布形式，用于产生辐射信号，所述底部层上设置有第二矩形槽，间隙波导结构包括第二销钉周期结构和内嵌销钉结构，所述第二销钉周期结构位于第二矩形槽的两侧，第二销钉周期结构围成间隙波导腔，所述内嵌销钉结构嵌入到间隙波导腔。

进一步的，所述辐射槽组包括多个尺寸相同的辐射槽，多个辐射槽共线排布组成一个阵列。

进一步的，所述辐射槽组上设置有第三矩形槽，所述第三矩形槽用于调节方向图波束宽度，所述第三矩形槽的两侧设置有寄生辐射槽。

进一步的，所述第二销钉周期结构包括多个销钉，多个销钉呈周期性排布成类长方形状，形成间隙波导腔。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种车载毫米波雷达，包括射频电路板、间隙波导馈线以及上述的间隙波导天线，所述间隙波导天线设置在射频电路板的上方，间隙波导天线通过间隙波导馈线与射频电路板电连接。

进一步的，所述间隙波导馈线包括第一金属层、第二金属层和第一销钉周期结构，所述第二金属层上设置有第一矩形槽，所述第一销钉周期结构位于第一矩形槽的两侧，所述第一金属层设置在第一销钉周期结构的上方，第一金属层与第一销钉周期结构之间形成第一空气间隙。

进一步的，所述第一销钉周期结构包括多个销钉，多个销钉呈周期性排布在第一矩形槽的两侧。

进一步的，所述间隙波导天线、间隙波导馈线和射频电路板从上到下依次堆叠。

进一步的，所述间隙波导天线的馈电波导口设置在底部层的横向轴上。

进一步的，所述间隙波导天线的馈电波导口设置在间隙波导馈线上。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明天线的间隙波导结构与辐射层存在空气间隙，这个空气间隙的存在使得辐射层与销钉周期结构不需要完美贴合在一起，各层在装配时获得更大的容差，不需要使用回流焊和导电胶贴合等工艺，并且得益于共线辐射槽组和间隙波导结构的低损耗和大加工容差的特性，有效提高能量或电磁波的传输效率，且与传统波导天线相比，加工装配的难度大大降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的间隙波导馈线的立体结构图。

图2为本发明实施例1的间隙波导馈线的左视结构图。

图3为本发明实施例1的间隙波导馈线的装配示意图。

图4为本发明实施例1的间隙波导馈线装配完成后的立体示意图。

图5为本发明实施例2的间隙波导天线的立体结构图。

图6为本发明实施例2的间隙波导天线的俯视结构图。

图7为本发明实施例2的间隙波导天线的正视结构图。

图8为本发明实施例2的间隙波导天线的左视结构图。

图9为本发明实施例1的间隙波导天线的装配示意图。

图10为本发明实施例1的间隙波导天线装配完成后的立体示意图。

图11为本发明实施例1的间隙波导天线装配完成后的平面示意图。

图12为本发明实施例2的间隙波导天线的回波损耗的仿真结果图。

图13为本发明实施例2的间隙波导天线的H面和E面方向图。

图14为本发明实施例3的车载毫米波雷达的立体结构图。

图15为本发明实施例3的车载毫米波雷达的俯视结构图。

图16为本发明实施例3的车载毫米波雷达的左视结构图。

其中，1-第一金属层，2-第二金属层，3-第一销钉周期结构，4-第一矩形槽，5-第一空气间隙，6-辐射层，7-间隙波导结构，8-底部层，9-第二空气间隙，10-第二矩形槽，11-第二销钉周期结构，12-内嵌销钉结构，13-辐射槽，14-第三矩形槽，15-寄生辐射槽，16-射频电路板，17-间隙波导馈线，18-间隙波导天线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种间隙波导馈线，该馈线包括第一金属层1、第二金属层2和第一销钉周期结构3，第二金属层2上设置有第一矩形槽4，所述第一销钉周期结构3位于第一矩形槽4的两侧，第一金属层1设置在第一销钉周期结构3的上方，第一金属层1与第一销钉周期结构3之间形成第一空气间隙5，第一金属层1、第二金属层2、第一矩形槽4以及第一销钉周期结构3组成等效的矩形波导，可以低损耗地传输能量。

进一步地，第一销钉周期结构3包括多个销钉，多个销钉呈周期性排布在第一矩形槽4的两侧；需要说明的是，在本实施例中，对于销钉的形状宽度等尺寸不存在限定，例如销钉可以是长方体型，也可以是圆柱体型等其它形状。

本实施例中，第一金属层1与第一销钉周期结构3之间所形成的第一空气间隙5的存在使得第二金属层2与第一销钉周期结构3不需要完美贴合在一起，各层在装配时获得更大的容差，不需要使用回流焊和导电胶贴合等工艺；第一金属层1的高度为1mm，第二金属层2的高度为2.8mm，第一销钉周期结构3半径0.4mm，高度1mm，第一矩形槽4的槽宽为1mm，槽深为1.8mm，第一空气间隙5的厚度为0.2mm。

如图3和图4所示，采用螺丝固定的方式将第一金属层1和第二金属层2连接在一起，螺丝固定受第一金属层1和第二金属层2的平面度、硬度等影响，会导致第一金属层1和第二金属层2部分地方存在无法完全贴合的状态，即产生了间隙。

实施例2：

如图5~图8所示，本实施例提供了一种间隙波导天线，该天线包括辐射层6、间隙波导结构7和底部层8，辐射层6、间隙波导结构7和底部层8从上到下依次排列设置，辐射层6与间隙波导结构7形成第二空气间隙9，辐射层6上设置有辐射槽组，底部层8上设置有第二矩形槽10，间隙波导结构7包括第二销钉周期结构11和内嵌销钉结构12，第二销钉周期结构11位于第二矩形槽10的两侧，第二销钉周期结构11围成的空白区域，形成间隙波导腔，间隙波导腔的底部是底部层8的上表面，间隙波导腔的四周是第二销钉周期结构11，间隙波导腔的顶部是辐射层6的下表面，内嵌销钉结构12嵌入到间隙波导腔；本实施例中，辐射层6的厚度为2mm，间隙波导结构7所围成的空腔边长为11.7mm，边宽为3.2mm，底部层8的厚度为1.5mm，第二空气间隙9的厚度为0.2mm，第二矩形槽10的长边为3.2mm，短边为1mm，第二销钉周期结构11中每个销钉的尺寸约为0.7×0.7×1mm³，内嵌销钉结构12尺寸与第二销钉周期结构11类似。

进一步地，辐射层6设置在间隙波导结构7的上方，辐射层6上设置的辐射槽组采用共线排布形式，用于产生辐射信号，该辐射槽组包括多个尺寸相同的辐射槽13，多个辐射槽13共线排布组成一个阵列，形成阵列天线；本实施例中，辐射槽13的长边为2.1mm，短边为1.4mm。

传统的波导缝隙阵天线的开缝形式通常为左右交错开缝型，通过控制每个缝隙与波导纵向中轴线的偏移距离来控制每个缝隙的辐射强度的幅值，从而来调节俯仰面副瓣电平的大小。这种开缝形式的缺点是当缝隙偏移中轴线的垂直距离较大时，天线在俯仰面会产生较高的栅瓣，这时最高副瓣电平就难以定位和控制；而本实施例的间隙波导天线的辐射槽13采用共线排布的方式，通过嵌入到间隙波导腔的内嵌销钉结构12，改变间隙波导腔的电流分布，使辐射槽组上的电流分布符合切比雪夫加权分布，从而调节俯仰面副瓣电平的大小，可见本实施例的辐射槽13相比与传统的缝隙天线的辐射缝隙具有更大的设计容差，即辐射槽13的辐射性能对槽的宽度和长度相对不敏感，因此具有相对较低的加工精度要求和加工成本。

进一步地，辐射槽组的上方设置有第三矩形槽14，第三矩形槽14用于调节方向图波束宽度，第三矩形槽14的两侧设置有寄生辐射槽15；在本实施例中，能量进入到间隙波导腔后，辐射槽组会切割间隙波导腔内壁表面电流，进入到空心波导腔的大部分能量通过辐射槽组辐射出来，形成主波束，少部分能量会流向辐射槽组两侧的辐射阵面，形成感应电流，感应电流在经过寄生辐射槽15时会被寄生辐射槽15再次切割，发生路径弯折，从而发生寄生辐射，产生副波束；通过调节寄生辐射槽15到辐射槽13的距离，使主体波束和副波束叠加在天线的最大辐射方向上，便可以提升波导天线的最大增益；本实施例中，第三矩形槽14的深度为1mm，长边14.8mm，短边为5.6mm，寄生辐射槽15的长边14.8mm，短边0.8mm，槽深为0.5mm。

进一步地，间隙波导结构7的第二销钉周期结构11和内嵌销钉结构12设置于底部层8的上方，内嵌销钉结构12嵌入到间隙波导腔，通过改变间隙波导腔的电流分布，使辐射槽组上的电流分布符合切比雪夫加权分布，获得低副瓣方向图。

进一步地，第二销钉周期结构11包括多个销钉，多个销钉呈周期性排布成类长方形状，形成间隙波导腔。

本实施例中，辐射层6与间隙波导结构7之间所形成的第二空气间隙9使得第二辐射层6与第二销钉周期结构11之间形成缝隙，第二空气间隙9的存在使得辐射层6与间隙波导结构7不需要完美贴合在一起，辐射层6与间隙波导结构7和底部层8在装配时获得更大的容差，不需要使用回流焊和导电胶贴合等工艺。

举例说明，假设第二空气间隙9的范围阈值要求为A毫米(millimeter，mm)，A为正实数，也就是说，缝隙的宽度在装配时可以为Amm，也可以小于Amm，也可以为0，即不存在间隙，辐射层6和第二销钉周期结构11之间的缝隙宽度不超过Amm时，天线的性能不受影响。

进一步地，间隙波导天线的馈电波导口设置在底部层8的横向轴上，本实施例将第二矩形槽10作为馈电波导口。

如图9~图11所示，采用螺丝固定的方式将辐射层6和底部层8连接在一起，螺丝固定受辐射层6和底部层8的平面度、硬度等影响，会导致辐射层6和底部层8部分地方存在无法完全贴合的状态，即产生了间隙。

图12为本实施例的间隙波导天线的回波损耗的仿真结果，横坐标表示频率，纵坐标表示回波损耗，从图中可以看出，在76GHz~79.5GHz范围内，回波损耗|S11|优于10dB，具有较优的匹配效果；图13为本实施例的间隙波导天线的H面和E面方向图，由图可知，H面方向图副瓣电平低于-20dB，实现了较好的副瓣抑制效果；天线在76GHz~79.5GHz的带内增益范围为15.5dBi～15.7dBi；从仿真结果可以看出，本实施例的间隙波导天线具有带宽宽、低副瓣、高增益等显著优点。

实施例3：

如图14~图16所示，本实施例提供了一种车载毫米波雷达，该雷达包括射频电路板16、间隙波导馈线17和间隙波导天线18，间隙波导天线18设置在射频电路板16的上方，间隙波导天线18通过间隙波导馈线17与射频电路板16电连接。

进一步地，间隙波导馈线17为实施例1的间隙波导馈线，间隙波导天线18为实施例2的间隙波导天线；本实施例中，间隙波导馈线17的第二金属层为间隙波导天线18的底部层，即间隙波导天线18的底部层既作为间隙波导天线18的底部层，又作为间隙波导馈线17的第二金属层。

进一步地，间隙波导天线18、间隙波导馈线17和射频电路板16从上到下依次堆叠；为了实现间隙波导天线18和间隙波导馈线17之间的上下堆叠设计，间隙波导天线18的馈电波导口设置在底部层8与辐射槽组相对的横向轴上，以减少车载毫米波雷达的面积；容易理解的是，间隙波导天线18的馈电波导口也可以设置在间隙波导馈线17上，此时间隙波导天线18与间隙波导馈线17处于同一层上，可以减小车载毫米波雷达厚度。

综上所述，本发明天线的间隙波导结构与辐射层存在空气间隙，这个空气间隙的存在使得辐射层与销钉周期结构不需要完美贴合在一起，各层在装配时获得更大的容差，不需要使用回流焊和导电胶贴合等工艺，并且得益于共线辐射槽组和间隙波导结构的低损耗和大加工容差的特性，有效提高能量或电磁波的传输效率，且与传统波导天线相比，加工装配的难度大大降低。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、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 (8)

1.一种间隙波导天线，其特征在于，所述天线呈中心对称结构，包括辐射层、间隙波导结构和底部层，所述辐射层、间隙波导结构和底部层从上到下依次排列设置，所述辐射层与间隙波导结构形成第二空气间隙，辐射层上设置有辐射槽组，所述辐射槽组采用共线排布形式，用于产生辐射信号，辐射槽组包括多个尺寸相同的矩形辐射槽，多个矩形辐射槽共线排布组成一个阵列，形成阵列天线，每个矩形辐射槽的长边为2.1mm，短边为1.4mm，所述底部层上设置有第二矩形槽，间隙波导结构包括第二销钉周期结构和内嵌销钉结构，所述第二销钉周期结构位于第二矩形槽的两侧，第二销钉周期结构围成间隙波导腔，所述内嵌销钉结构嵌入到间隙波导腔，通过内嵌销钉结构，改变间隙波导腔的电流分布，使辐射槽组上的电流分布符合切比雪夫加权分布，从而调节俯仰面副瓣电平的大小；所述辐射槽组的上方设置有第三矩形槽，所述第三矩形槽用于调节方向图波束宽度，所述第三矩形槽的两侧设置有寄生辐射槽。

2.根据权利要求1所述的间隙波导天线，其特征在于，所述第二销钉周期结构包括多个销钉，多个销钉呈周期性排布成类长方形状，形成间隙波导腔。

3.一种车载毫米波雷达，包括射频电路板，其特征在于，还包括间隙波导馈线以及权利要求1-2任一项所述的间隙波导天线，所述间隙波导天线设置在射频电路板的上方，间隙波导天线通过间隙波导馈线与射频电路板电连接。

4.根据权利要求3所述的车载毫米波雷达，其特征在于，所述间隙波导馈线包括第一金属层、第二金属层和第一销钉周期结构，所述第二金属层上设置有第一矩形槽，所述第一销钉周期结构位于第一矩形槽的两侧，所述第一金属层设置在第一销钉周期结构的上方，第一金属层与第一销钉周期结构之间形成第一空气间隙。

5.根据权利要求4所述的车载毫米波雷达，其特征在于，所述第一销钉周期结构包括多个销钉，多个销钉呈周期性排布在第一矩形槽的两侧。

6.根据权利要求3所述的车载毫米波雷达，其特征在于，所述间隙波导天线、间隙波导馈线和射频电路板从上到下依次堆叠。

7.根据权利要求3所述的车载毫米波雷达，其特征在于，所述间隙波导天线的馈电波导口设置在底部层的横向轴上。

8.根据权利要求3所述的车载毫米波雷达，其特征在于，所述间隙波导天线的馈电波导口设置在间隙波导馈线上。