CN117060049A - 一种车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，包括：确定阵列类型以及介质基板的属性，以微带短截线作为天线阵元，通过计算获取所述天线阵元的长与宽；将若干所述天线阵元与主馈线组合形成梳状微带线阵，根据增益大小确定所述梳状微带线阵的尺寸；将确定好尺寸的所述梳状微带线阵与功分器进行组合，形成梳状微带面阵，即所述车载毫米波雷达梳状微带天线。本发明加工简单、剖面低、占用面积小以及易与射频电路集成，有效减少了面积，并且天线整体性能较好，更有利于雷达的集成。
Description
技术领域
本发明涉及车载毫米波雷达天线技术领域，尤其涉及一种车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法。
背景技术
天线是整个车载雷达系统的重要组成部分，车载雷达工作时通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，将这些信号进行处理后可以探测到车辆周围的信息，紧接着根据这些信息可以进行目标跟踪以及识别分类。车载毫米波雷达天线的种类有很多，常见的有机械扫描天线、准光学天线、电扫描天线和微带天线。准光学天线、机械扫描天线和电扫描天线的特点是体积大，并且生产成本较高，因此市场占有率不高。与前面几款天线相比较，微带天线更适用于大规模生产，它的特点是体积小、低剖面，并且生产成本低，因此微带天线占据了车载毫米波雷达的大部分市场份额。
微带阵列天线是目前国内车载毫米波雷达使用的主要天线形式，总共有两种集成方案。一种是在微带阵列天线背面添加后端电路，这样天线的大小也决定了雷达的大小。第二种是微带阵列天线与后端电路共处一个平面，在这种情况下，应该尽可能减小天线的尺寸，天线越小，留给后端电路的面积越大，因此在设计时应当尽量减小阵列天线所占面积，这样更有利于车载毫米波雷达的集成。在减少面积的同时，不能简单的从减少阵元这个角度出发，虽然这样能有效减少微带阵列天线所占面积，但是会对天线整体的性能造成影响，例如天线增益降低，波束宽度和副瓣电平不能达到理想的效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，包括：
确定阵列类型以及介质基板的属性，以微带短截线作为天线阵元，通过计算获取所述天线阵元的长与宽；
将若干所述天线阵元与主馈线组合形成梳状微带线阵，根据增益大小确定所述梳状微带线阵的尺寸；
将确定好尺寸的所述梳状微带线阵与功分器进行组合，形成梳状微带面阵，即车载毫米波雷达梳状微带天线。
优选地，所述阵列类型为驻波阵列。
优选地，所述介质基板的属性包括板材、厚度、损耗角正切值以及介电常数，其中所述板材为Rogers3003，所述厚度为＝0.127mm，损耗角正切值tanδ＝0.001，介电常数εr＝3.04。
优选地，获取所述天线阵元的长的方法为：
其中，Li为天线阵元的长，λei为阵元的等效波导波长，Δli为延伸长度，b为主馈线的宽度，ni为修正因子。
优选地，获取所述天线阵元的宽的方法为：
其中，Wi为天线阵元的宽度，h为介质基板的厚度，εr为介质基板的介电常数，R为反射系数。
优选地，将若干所述天线阵元与主馈线组合形成梳状微带线阵，包括：
将所述天线阵元在所述主馈线两侧上下交替放置，形成所述梳状微带线阵；其中驻波阵列各阵元之间的间距相等。
优选地，根据增益大小确定所述梳状微带线阵的尺寸，包括：
首先，分别对阵元间距以及阵元长度进行优化；
其次，根据优化结果调整所述阵元间距，再进行阻抗匹配，反复迭代若干次；
最后，选择增益最大时的梳状线阵尺寸。
优选地，所述功分器的规格为1分8功分器。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明在不减少阵元数量的情况下，能够有效减小天线面积，且天线整体性能较好，更有利后期雷达的集成；本发明方法加工简单、剖面低、占用面积小以及易与射频电路集成。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中一种车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法流程图；
图2为本发明实施例的梳状微带阵列天线的结构图；
图3为本发明实施例的阵元间距di对于天线性能的影响示意图，其中(a)为谐振频率图，(b)为天线方向图；
图4为本发明实施例的阵元长度Li对于天线性能的影响示意图，其中(a)为谐振频率图，(b)为天线方向图；
图5为本发明实施例的微带梳状线阵仿真结果示意图，其中(a)为谐振频率图，(b)为天线方向图；
图6为本发明实施例的极化电场方向示意图；
图7为本发明实施例的梳型阵列结构图；
图8为本发明实施例的波导-微带转接结构示意图；
图9为本发明实施例的波导-微带转接结构仿真结果示意图；
图10为本发明实施例的添加波导-微带转接结构整体仿真模型示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明提出了一种车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，如图1，具体包括：
确定阵列类型以及介质基板的属性，以微带短截线作为天线阵元，通过计算获取所述天线阵元的长与宽；
梳型阵列主要分为两种，行波阵列和驻波阵列。如果天线上的电流为驻波分布，则称为驻波阵列。驻波阵是边射阵，它的最大辐射方向垂直于阵平面。驻波阵阵元之间的间距为λe/2，当频率发生变化时，会引起相位也发生变化，波束指向也会随之发生改变。驻波阵的输入阻抗具有明显的谐振特性，只能用于较窄的波段，不适合用于宽带场景。此外驻波阵列也不能实现波束赋型。
如果天线上的电流按行波分布，则称这种阵列为行波阵列。行波阵列之间的阵元间距不等于λe/2，与驻波阵列相比，行波阵列具有较宽的的带宽、较高的增益以及较好的单项辐射性，同时能实现波束赋形。行波阵列通常是用导线末端接匹配负载来消除反射波构成的，该负载会不断的消耗能量，导致行波阵列的效率较低，它是以降低效率换取带宽的。
驻波阵列和行波阵列各有优缺点，如表1所示。在车载毫米波雷达领域，边射方向图是一个重要的参数，也因此驻波阵在车载毫米波雷达领域使用较多，本实施例设计的天线也采用驻波阵列。
表1
选择驻波阵列后，下面就是线阵的设计。本实施例设计的天线是以微带短截线作为天线阵元，使用16个阵元组成一个线阵，采用串联馈电方式作为组阵方式。图2即为梳状微带阵列天线的结构图。
从图中可以看出，16个阵元的排布方式为在主馈线两侧上下交替放置，驻波阵列各阵元之间的间距为di，这样既能减小整个线阵的尺寸，同时也能保证每个阵元间的电流保持同相。阵元的长和宽分别为Li、Wi，主馈线的宽度为b，四分之一阻抗匹配器的宽为WS。
设计线阵时采用厚度h＝0.127mm的Rogers3003作为介质基板，利用泰勒综合分布方法对梳状线阵进行功率分配，考虑到计算与仿真的误差，设置目标副瓣电平值为-28dB，最终求得归一化电流值为，如表2。
表2
假设输入电压为归一化单位电压，则有：
[V]＝[Zi][Ii]＝I
阵元对主馈线的归一化特性阻抗用Zi表示，单位矩阵是I，上式也可转换为：
[V][Ii]-1＝[Zi][Ii][Ii]-1
即：
[Zi]＝[Ii]-1
Zi求出后，即可通过下面公式计算出阵元的宽度Wi。当Zi＜(44-2εr)Ω时，则有下面公式：
其中：
当Zi≥(44-2εr)Ω时：
e为自然指数；
其中：
得到各对应口径分布的阵元的宽度后，需要计算出阵元的长Li，Li通过下式计算得出：
其中，λei为阵元的等效波导波长，Δli为延伸长度，b为主馈线的宽度，ni为修正因子，可以通过下式确定：
上述式中Zb对应宽度为b馈线的特性阻抗，Zwi对应宽度为Wi微带线的特性阻抗，λe对应主馈线的波导波长，εe是有效介电常数。
通过上述公式可以将阵元的长宽计算出来，线阵总共16个阵元，将阵元与主馈线组合在一起即可形成线阵。
表2已经求出各阵元的激励幅度，阵元的宽度不需要更改。接下来分别对阵元间距di以及阵元长度Li进行优化。图3展示了阵元间距di对于天线性能的影响。从图3中可以看出，阵元间距di对谐振频率(图3a)和方向图(图3b)的影响都比较大。谐振频率与阵元间距呈反比，且影响匹配效果，阵元间距还影响天线的方向图，对方向图造成的影响较大。若阵元间距存在较大的偏差，导致各个阵元之间的相位失配，则天线的方向图会发生偏移，且副瓣电平也会受其影响。
图4展示了阵元长度Li对于天线性能的影响。从图4(a)、图4(b)中可以看出，阵元长度Li和阵元间距di一样，对谐振频率的影响比较大。谐振频率与阵元长度呈反比，且影响匹配效果，阵元长度影响驻波，进而影响天线的真实增益，几乎不会引起天线方向图主瓣的偏移。
综合前面的分析，天线阵元间距和阵元长度对于天线驻波的影响都比较大，优化的思路还是先调整阵元间距，优化出比较理想的方向图后，再进行阻抗匹配，反复迭代几次后，优化出满足性能指标的天线即可。
经过优化后水平极化的梳状线阵尺寸如表3所示：
表3
最终优化结果如图5(a)、图5(b)所示，在中心工作频点76.5GHz处，1×16梳状线阵最大增益为16.3dB，E面半功率波束宽度为67°，H面半功率波束宽度为10.3°。中心频率处S11＝-30dB，S11<-10dB的带宽约为2.5GHz，满足阻抗带宽要求。图6展示了其极化电场方向，y方向波束宽，极化方向也沿着y方向。
设计出不等阵元线阵后，需要设计面阵馈电网络。馈电网络常见的馈电方式有串联馈电和并联馈电。并联馈电需要用到多个T型功分器，此时还需注意调节功分比，每个T型功分器都有两个支路，调节支路阻抗即可。一般功分比与支路阻抗成正比，功分比越大，支路阻抗越大。并联馈电存在一定的劣势，组成面阵需要使用较多的T型功分器，使用的功分器越多，馈线的长度越长，造成的能量损耗越大，这样会对天线性能造成很大影响。相比较并联馈电，串联馈电结构小巧紧凑，原理简单。但同样也存在劣势，串联馈电会导致相位误差逐渐增加，对天线的辐射效率影响很大。综上所述，本实施例采用串并联结合的馈电方式，这样不仅能有效避免串并联各自的缺点，还能将优势结合起来，馈线的长度得到尽可能的减少，馈电网络两端的相位匹配也得到了保证。
将已经设计好1×16的梳状微带线阵与设计的1分8功分器组合在一起形成面阵，该面阵共由8个线阵组成，最终梳状微带面阵仿真模型如图7所示。
梳状微带阵列天线面阵的中心工作频率为76.5GHz，最大增益为24dB，副瓣电平约-19.4dB，中心频率处S11＝22.5dB，带宽约为2.5GHz，E面半功率波束宽度为11.7°，H面半功率波束宽度为10.4°。
为了完成测试工作，在天线的馈电部分加上波导-微带的转接结构，测试天线时选择了矩形波导接口，如果选择使用焊接同轴探头馈电往往误差较大，因为设计的天线尺寸较小，焊接起来难度较大，测量时会影响实际测试结果。所以本实施例设计了一款矩形波导接口，转接结构如图8所示。
采用WR12标准波导，图9为波导-微带转接结构仿真结果，从中可以看出，该转接结构在75GHz～78GHz内，S11<-15dB，整个带内的传输损耗低于0.3dB，说明该转接结构有较好的传输性能。
设计好转接结构后，与天线连接起来，在天线板上预留法兰接口，方便后续波导与天线板连接，整体仿真模型如图10所示。
本发明提出了一种车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，首先对驻波阵和行波阵做了简单介绍，最终设计天线时选用驻波阵。随后设计了1×16的线阵，仍然采用泰勒分布，功分器为1分8功分器，将线阵与功分器结合起来即可得到一个8×16的面阵。该水平极化阵列天线的增益达到了24dB，E面半功率波束宽度为11.7°，H面半功率波束宽度为10.4°，副瓣电平约-19.4dB，天线的中心频率在76.5GHz，S11＝-30dB，S11<-10dB的带宽约为2.5GHz，满足指标要求。
梳状微带天线在阵元相同的情况下天线所占面积要小的多，且天线整体性能较好，更有利后期雷达的集成。最后为了测试需要，设计了一款波导-微带转接结构，仿真结果表明其具有良好的传输特性，天线测试结果与仿真比较接近，验证了仿真设计的准确性。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，其特征在于，包括：
确定阵列类型以及介质基板的属性，以微带短截线作为天线阵元，通过计算获取所述天线阵元的长与宽；
将若干所述天线阵元与主馈线组合形成梳状微带线阵，根据增益大小确定所述梳状微带线阵的尺寸；
将确定好尺寸的所述梳状微带线阵与功分器进行组合，形成梳状微带面阵，即车载毫米波雷达梳状微带天线。
2.根据权利要求1所述的车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，其特征在于，所述阵列类型为驻波阵列。
3.根据权利要求1所述的车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，其特征在于，所述介质基板的属性包括板材、厚度、损耗角正切值以及介电常数，其中所述板材为Rogers3003，所述厚度为＝0.127mm，损耗角正切值tanδ＝0.001，介电常数εr＝3.04。
4.根据权利要求3所述的车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，其特征在于，获取所述天线阵元的长的方法为：
其中，Li为天线阵元的长，λei为阵元的等效波导波长，Δli为延伸长度，b为主馈线的宽度，ni为修正因子。
5.根据权利要求3所述的车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，其特征在于，获取所述天线阵元的宽的方法为：
其中，Wi为天线阵元的宽度，h为介质基板的厚度，εr为介质基板的介电常数，R为反射系数。
6.根据权利要求2所述的车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，其特征在于，将若干所述天线阵元与主馈线组合形成梳状微带线阵，包括：
将所述天线阵元在所述主馈线两侧上下交替放置，形成所述梳状微带线阵；其中驻波阵列各阵元之间的间距相等。
7.根据权利要求6所述的车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，其特征在于，根据增益大小确定所述梳状微带线阵的尺寸，包括：
首先，分别对阵元间距以及阵元长度进行优化；
其次，根据优化结果调整所述阵元间距，再进行阻抗匹配，反复迭代若干次；
最后，选择增益最大时的梳状线阵尺寸。
8.根据权利要求1所述的车载毫米波雷达梳状微带天线设计方法，其特征在于，所述功分器的规格为1分8功分器。
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