CN117638485A - 改进的天线罩设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改进的天线罩设计。本公开总体上涉及一种系统，特别是用于汽车应用的雷达系统。该系统包括天线，该天线构造成发射电磁波。该系统还包括天线罩，该天线罩具有面向天线的内表面。

Description

改进的天线罩设计

技术领域

本发明涉及一种系统，特别是用于汽车应用的雷达系统，还涉及用于雷达系统的天线罩。

背景技术

在汽车应用中，传感器用于防止汽车碰撞，用于跟随另一车辆等。同样对于汽车业，这种传感器对于以可靠和有效的方式感测周围环境是必不可少的。朝向自主解决方案发展的其他行业也需要这种传感器。

为此和其他目的，正使用雷达。雷达天线在期望的方向上辐射例如毫米频带的电磁波，并接收来自雷达前方的物体的反射波以检测可能的物体。雷达系统可以包括平面形天线阵列，该天线阵列由形成天线阵列的保护结构的平坦天线罩覆盖。天线罩可以是保护雷达天线的结构的、防风雨的外壳。在汽车应用中，天线罩可以是汽车罩板的整体部分。通常，天线罩可以由仅最小地衰减由天线发射或接收的电磁辐射的材料的平板制成，其中，选定厚度取决于天线阵列在零度入射角处的波长，以便在这一点处实现最大透射或最小反射。通常希望发射的辐射不被天线罩损害。

对于具有宽视场(例如覆盖+/-75°的方位角范围)的雷达天线，平坦雷达天线罩暴露于大范围的入射角。然而，由于通过平坦天线罩的透射仅针对特定入射角(通常为零度入射角)进行优化，所以在其他角度(特别是高入射角)存在强反射损耗。修改天线罩厚度以针对较大入射角优化天线罩又可导致低入射角下的严重劣化。

图1示出了汽车雷达系统的现有技术设计。天线1(包括例如一个或更多个天线阵列)放置在天线板2上。天线具有视场4，该视场可以具有例如-75°至+75°的宽角覆盖范围。平坦天线罩3位于天线1前面特定距离处。根据现有技术，天线罩3的底表面5被设计为平坦表面。

图2基于图1的现有技术设计，并示出了示例性电磁射线的路径。射线以大发射角从天线1发射，该大发射角相对于天线板2的表面法线。当撞击在平坦天线罩3的底表面5上时，一部分辐射被反射，而另一部分辐射进入天线罩材料用于透射(和部分吸收)。对于图1和图2所示的现有技术设计，对于大的入射角，大部分辐射被反射，这显著损害了雷达系统的精度和整体质量。尽管天线本身可以具有大的视场，但是整个系统的视场减小了。这是不希望的。

US2022/0179039A1描述了一种支持超宽雷达视场的罩板。该罩板可以被配置为天线罩，该天线罩在内表面或外表面中的至少一个上具有被配置成捕集光的半球形凹痕或圆顶的相应图案，光的捕集有效地减少从该表面的反射并且增加穿过该罩板的光透射以支持使用该天线的超宽视场，尽管该罩板遮挡了该天线的视场。每个半球形凹痕包括垂直于天线的开口。该开口在天线与内表面之间形成水平面，该水平面垂直于到罩板的入射波的偏振方向。开口和内表面被配置成形成垂直于罩板的入射平面。然而，尽管这些半球形凹痕或圆顶可减轻高入射角下的反射，但已证明这种图案的制造非常困难。

因此，通常需要改进的天线罩设计，特别是用于宽或超宽视野雷达天线的应用。本发明的一个特定目的是提供一种改进的天线罩，其可以用减少的额外努力来制造。

发明内容

提供了一种解决方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种系统，其尤其可以是用于汽车应用的雷达系统。例如，该系统可以是在自动驾驶车辆中使用的雷达系统，以便于导航和监视车辆的周围环境。然而，所要求保护的系统的适用性不限于该方面。

该系统包括天线。天线构造成发射/辐射电磁波，优选地在期望的方向上。天线可以具有围绕期望方向打开的视场。天线可以是雷达天线。例如，天线可以工作在30MHz到300GHz的范围内，并且优选地工作在X波段(8-12GHz)，K波段(12-40GHz)，V波段(40-75GHz)或W波段(75-110GHz)。优选地，天线工作在范围从30到300GHz的毫米波频带或EHF频带中。优选地，天线可以在适用于雷达应用的频带中工作。在优选实施例中，天线工作在76-81GHz的范围内。

在优选实施例中，同样的天线也构造成接收从物体反射回的波。在另一优选实施例中，天线构造为发射天线，并且系统还包括构造成检测波的单独的接收天线。这种结构对于本领域技术人员来说是已知的。

该系统还包括天线罩。天线罩可以是至少部分地包围天线的结构元件，并且可以保护天线免受环境影响。天线罩可以由车辆的一部分形成，例如镜外壳、车标、面板、门、保险杠等，它们可以是汽车罩板的一部分。罩板可提供美学、空气动力学和保护益处。天线罩也可以作为单独的元件提供。例如，在汽车应用中，天线罩本身可以被汽车罩板的一部分覆盖。天线罩可以优选地由仅仅最小地衰减电磁辐射的材料制成。例如，天线罩可以由介电材料制成，例如由塑料制成。在优选实施例中，天线罩可以包括聚对苯二甲酸丁二酯、玻璃纤维和丙烯酸玻璃中的一种或更多种。

天线罩具有面向天线的内表面。换言之，天线罩可以至少部分地设置在天线的视场内，使得从天线辐射的电磁波至少部分地撞击在天线罩的内表面上。优选地，至少在天线的视场内，在天线和天线罩的内表面之间没有提供其他元件。

根据本发明，天线罩的内表面至少部分地包括波形结构。天线罩的面向天线的内表面因此以特定方式被结构化以改进现有技术设计。所要求保护的系统的内表面是波形的，而不是提供平坦表面或半球形凹痕或圆顶的图案；内表面可以是波状的或波浪形的。因此，内表面可以具有交替凸起和凹槽的结构。优选地，波形结构由多个交替的凸起和凹槽形成。凸起和凹槽可以优选地均匀且稳定地合并，优选地对应于周期函数。优选地，凸起和凹槽具有相同的尺寸。在另一优选实施例中，凹槽大于凸起。

波形结构构造成减少电磁波从内表面的反射并增加电磁波通过天线罩的透射。这种改进(减少的反射和增加的透射)可以与具有平坦内表面的天线罩设计相比。从天线辐射的电磁波撞击在天线罩的波形结构上，其中，与具有平坦内表面的天线罩设计相比，入射角平均降低。降低的入射角有利于电磁波耦合到天线罩材料中，使得反射部分减少。

本发明人已经认识到，提供半球形凹痕或圆顶的图案的现有技术解决方案在制造天线罩时是不利的。鉴于该缺点，本发明人惊奇地发现波形结构是非常有益的。其易于制造(也是批量生产)，例如通过注射成型技术，并且同时减少反射以提高雷达系统的整体性能。特别地，波形结构对制造公差的要求较低。与具有半球形凹痕或圆顶的现有技术设计(其中，结构的小偏差可能具有剧烈的影响)相比，与所需结构的制造相关的偏差不引起或仅引起天线罩的透射/反射质量的轻微劣化。

优选地，表征波形结构的波长小于对应于天线的工作频率的波长。进一步优选地，表征波形结构的波长小于对应于天线的工作频率的波长的一半。如本领域技术人员将理解的，波形结构的波长可以对应于两个相邻的重复波形结构元件之间的距离，并且可以优选地对应于两个相邻的重复凸起(或凹槽)之间的距离。通过提供波形结构的相对小的波长，改进了天线罩的透射特性。例如，在优选实施例中，天线的工作频率可以在76-81GHz的范围内(具有例如3.8mm的波长)，并且表征波形结构的波长可以小于3.7mm，更优选地小于1.9mm。优选地，至少在内表面的在天线的视场内的区域中，波长可以是均匀的。

优选地，该系统覆盖范围从-50°到+50°，进一步优选地范围从-75°到+75°的方位角视场。沿着仰角，该系统可以覆盖范围从-6°至+6°，优选地从-10°至+10°的视场。因此，天线可以覆盖至少+/-50°，进一步优选地至少+/-75°的相应大的方位角视场，并且改进的天线罩设计可以确保在高角度处减少反射。因此，天线可以被认为是方位角上的宽(或超宽)视野雷达天线，其可以允许扫描例如机动车辆前方的大水平区域。根据本发明的天线罩设计确保了在大角度下天线的检测特性的质量提高。利用本发明的天线罩设计增加了系统的整体视野。

优选地，波形结构在天线罩的内表面的至少由天线的视场覆盖的区域上延伸。换言之，天线罩的内表面的暴露于从天线辐射的电磁波的至少一部分可以设置有波形结构。在天线的视场之外，天线罩的内表面可以被不同地结构化，或者如果认为方便的话甚至是平坦的。

优选地，波形结构的高度在对应于天线的工作频率的波长的大约1/4的范围内。在优选实施例中，天线的工作频率在76-81GHz的范围内，并且波形结构的高度约为1mm。波的高度应该接近天线波长的1/4。应当理解，覆盖了公差，其中，公差可以在+/-20％的范围内。在优选实施例中，波形结构的高度为1.0+/-0.2mm。根据本发明的优选实施例，这样的尺寸允许改善从天线辐射到天线罩中的电磁波的耦合，特别是如果天线在76-81GHz范围内工作。

优选地，天线与天线罩的内表面之间的最小距离在0.5到5mm的范围内，更优选地在1到3mm的范围内。最小距离可以在天线罩的视轴处，即在零度入射角处。这些距离允许适当地屏蔽天线免受环境影响并且允许将电磁波适当地耦合到天线罩中。

优选地，天线罩的内表面包括平坦平面或弯曲平面。优选地，波形结构位于平坦平面上或弯曲平面上。对于平坦平面，波形结构可以被认为是具有波形的二维表面，即凸起和凹槽沿着正交的第三维度定向。这种设计允许容易且有成本效益的制造。对于弯曲平面，整个内表面可以至少部分地以凹入方式围绕天线弯曲。波形结构的特征可以定位在内表面的这个总体弯曲的平面上。这种设计允许改善的透射特性，因为弯曲取向可以提供改善的入射角。

优选地，波形结构的第一波传播方向平行于天线的方位面。在一个实施例中，波形结构的特征在于第一波函数，其中，对应于第一波函数的波传播方向平行于天线的方位面。波函数可以是周期函数，例如正弦函数。波形可以沿平行于天线的方位面的方向延伸。因此，由天线在方位面中辐射的电磁波以低入射角以最佳方式撞击天线罩的内表面，使得在方位面中优化系统的整体特性。

通常，表征波形结构的第一波函数可以是任何周期函数。交替的凹槽和凸起可以在天线罩的内表面的至少一部分上具有相同的半径或不同的半径。在优选实施例中，在天线罩的内表面的至少一部分上，凹槽的半径大于凸起的半径，这提供了天线罩的改进的特性。

在优选实施例中，波形结构的第二波传播方向平行于天线的俯仰面。在一个实施例中，波形结构因此也可以由第二波函数表征，其中，对应于第二波函数的波传播方向平行于天线的俯仰面。因此，第一波传播方向和第二波传播方向可以彼此正交。除了方向之外，相应的第一波函数和第二波函数可以相同或不同，即两个方向上的波的结构可以相同。通过提供沿仰角方向的这种结构，可以进一步优化系统的整体特性，以提供改进的视场。

在另一优选实施例中，波形结构的表面在平行于天线的俯仰面的方向上是均匀的。因此，天线罩的内表面可以被结构化成它沿着一个方向，特别是沿着天线的方位面仅具有一种波形形式。这允许减少制造工作。

在另一优选实施例中，波形结构包括圆形或椭圆形波。这样的波可以围绕天线罩的视轴传播，即围绕天线罩在零度入射角的点传播。通过天线罩内表面的这种表面结构，可以进一步优化透射特性。

优选地，天线包括天线元件阵列，其优选为天线元件的平面阵列，并且其中，天线罩的内表面平行于天线元件阵列。本领域技术人员理解，利用这种构造，阵列的每个元件可以被定向到天线罩的内表面的相同结构，从而可以改善系统的校准和整体性能。

优选地，波形结构包括粗糙表面轮廓。粗糙表面轮廓的特征在于粗糙度轮廓的算术平均值Ra小于对应于天线的工作频率的波长的1/10。优选地，Ra大于天线的波长的1/1000，更优选地大于天线的波长的1/100。粗糙表面轮廓可以是随机表面。粗糙度被添加到所述内表面的整体波形。以这种方式，天线罩的内表面的反射被进一步减小。

优选地，天线罩的与天线罩的内表面相对的外表面也至少部分地包括外部波形结构。通过这种设计，可以改善电磁波在面向环境的外侧处进出天线罩的耦合。进一步优选地，外部波形结构对应于内表面的波形结构。这减少了制造努力。

优选地，如本文所述的波形表面也可以设置在天线罩后面的不同表面上。例如，从天线发射的波可以首先通过具有波形内表面的天线罩透射，并且随后面向另一元件(例如，车辆罩板、保险杠、覆盖件、车标等)，该另一元件也具有如本文所述的波形表面。这可以进一步提高系统的整体质量。

优选地，该系统包括几个天线，例如几个发射和/或接收天线。可以在所选的发射天线的视场中，优选所有发射天线的视场中提供波结构。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于雷达系统的天线罩。该天线罩具有至少部分地包括波形结构的表面，该波形结构构造成减少电磁波从内表面的反射并增加电磁波通过天线罩的透射。本领域技术人员理解，天线罩可以如以上关于所要求保护的系统所描述的来定义，并且相应的以上说明书类似地适用于天线罩本身。

根据本发明的另一方面，提供了一种车辆，优选地为陆地车辆，进一步优选地为机动车辆。车辆包括如本文所述的系统，特别是雷达系统。优选地，车辆包括如本文所述的雷达系统和天线罩系统。

本发明的另一方面涉及系统的使用，特别是本文所述的用于汽车应用的雷达系统。

附图说明

在下文中，进一步参考附图描述本发明。在附图中，相似的元件用相同的附图标记表示。

图1示出了汽车雷达系统的现有技术设计；

图2示出了图1的现有技术系统中的电磁射线的路径；

图3示出了根据本发明的一个实施例的汽车雷达系统；

图4示出了图3的系统中的电磁射线的路径；

图5示出了根据本发明的另一实施例的天线罩；

图6示出了根据本发明的另一实施例的天线罩；

图7示出了根据本发明的一个实施例的汽车雷达系统；

图8示出了图7的系统在不同取向上的截面；

图9示出了根据本发明的另一实施例的车辆；

图10示出了与现有技术的平坦天线罩设计的特征相比的根据本发明的天线罩设计的特征。

具体实施方式

图3示出了示例性汽车雷达系统。本领域技术人员理解，所描述的雷达系统的原理和设计也适用于不同于汽车应用的应用。如参考图1所述的，该系统包括放置在天线板2上的天线1(包括例如一个或更多个天线阵列)。本领域技术人员理解，天线1(例如，任何普通雷达天线)可以是传感器系统的一部分，该传感器系统包括用于发射和接收信号以及用于分析所接收的信号的电子器件。在一个示例中，天线1在76-77GHz的范围内工作。

在与天线1相距2mm处，天线罩3设置在天线1的视场4内。与现有技术的天线罩设计相反，天线罩3的面向天线1的表面被设计为波形底表面6。波形底表面6在天线的视场4内具有波形结构。波形结构是连续和稳定的，没有任何边缘或其他中断过渡的特征。在图3的图示中，波形结构的波传播方向从左到右是水平的，并且平行于天线1的方位面。在一个示例中，波形结构的波长，即两个相邻突起之间的距离(在图4中示意性地示出)是1.7mm，在任何情况下都小于天线1的工作频率的波长。此外，在该示例中，波形结构的高度约为1.0mm，或1.0+/-0.2mm(在图4中示意性地示出)。

图4示出了与图2所示的情况相比，以大发射角从天线1辐射的电磁波的示例性路径。然而，由于波形底表面6，撞击在天线罩3上的波的入射角相对较低，使得仅一小部分辐射被反射并且大部分辐射可以射透天线罩3。这强调了所要求保护的天线罩设计的有利效果，该天线罩设计可以在没有过度努力的情况下制造。

图5示出了根据另一实施例的天线罩的面向天线的表面的平面图，该表面可以对应于图3和图4的波形底表面6。该表面具有波形结构，该波形结构具有周期性重复的波形元件。波形仅沿一个维度(这里是水平的左右)延伸。

图6示出了根据另一实施例的天线罩的面向天线的表面的平面图。波形构造为椭圆形。形状的中心在天线罩的视轴处，即在从天线辐射的波的零度入射角处。在垂直于天线板的方向上从天线辐射的波在椭圆形结构的中心处撞击在天线罩上，在中心处入射角非常低。对于以较大角度发射的波，椭圆形结构平均减小了入射角，从而防止波从天线罩反射。椭圆形结构允许优化沿方位角和仰角的透射特性。根据天线的设计和形状并根据系统的相应应用，波形结构也可以是圆形的。

图7示出了包括天线板2的雷达系统，在天线板2上设有两个天线1。天线罩的波形表面6面向天线1。天线罩固定到天线板。

图8以不同的视角示出了图7的系统。可以看出，波形表面6包括尺寸相等且彼此平行对齐的细长凹槽。在凹槽之间设具有圆形周边的凸起。没有提供边缘或其他中断过渡。凹槽的半径大于凸起的半径。这种设计导致天线罩的改进的透射特性。

图9示出了包括如本文所述的雷达系统11的车辆10。雷达系统11的天线罩由车辆10的保险杠形成，即汽车罩板的一部分由天线罩形成。

图10示出了具有不同天线罩设计的雷达系统的透射特性(左：具有平坦内表面的天线罩；右：根据本发明的具有波形内表面的天线罩)。示出了方位角范围从-90度到+90度，仰角为-4度，-2度，0度，+2度和+4度的透射值。此外，如作为不同的分离线所看到的，示出了在0度的方位角处改变仰角的透射值。

对于具有平坦内表面的天线罩设计，可以识别高方位角处的损耗。这些损耗主要通过具有根据本发明的波形内表面的天线罩设计来补救。同样对于高仰角，利用本发明的天线罩设计改进了透射。

本领域技术人员理解，可以改变不同的参数(天线罩的厚度、波形的幅度、波形的波长、天线罩到天线的距离)以获得优化的期望透射特性，其中，这些参数进一步取决于天线罩的材料。

Claims (15)

1.一种系统，该系统包括：

天线(1)，该天线构造成发射电磁波；以及

天线罩(3)，该天线罩具有面向所述天线(1)的内表面(6)，其中，所述内表面至少部分地包括波形结构，所述波形结构构造成减少电磁波从所述内表面的反射并增加电磁波通过所述天线罩(3)的透射。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波形结构由多个交替的凸起和凹槽形成。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，表征所述波形结构的波长小于对应于所述天线(1)的工作频率的波长，其中，表征所述波形结构的波长优选地小于对应于所述天线(1)的工作频率的波长的一半。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，表征所述波形结构的波长对应于两个相邻的重复波形结构元件之间的距离，优选地，表征所述波形结构的波长对应于两个相邻的重复凸起或凹槽之间的距离。

5.根据权利要求3或4所述的系统，其中，所述天线(1)的工作频率工作在毫米波频带内，优选地在76-81GHz的范围内，并且其中，表征所述波形结构的波长优选地小于3.7mm，优选地小于2.0mm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述波形结构在所述天线罩的内表面的由所述天线的视场(4)覆盖的区域上延伸。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述波形结构的高度在对应于所述天线(1)的工作频率的波长的大约1/4的范围内，其中，所述天线(1)的工作频率优选地在76-81GHz的范围内，并且所述波形结构的高度优选地为大约1mm。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述天线(1)与所述天线罩(3)的内表面之间的最小距离在0.5至5mm的范围内，优选地在1至3mm的范围内。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述天线罩(3)的内表面包括平坦平面或弯曲平面，其中，所述波形结构位于所述平坦平面或所述弯曲平面上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述波形结构的第一波传播方向平行于所述天线(1)的方位面。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述波形结构的第二波传播方向平行于所述天线(1)的俯仰面，或者其中，所述波形结构的表面在平行于所述天线(1)的俯仰面的方向上是均匀的。

12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述天线(1)包括天线元件阵列，所述天线元件阵列优选地为天线元件的平面阵列，并且其中，所述天线罩(3)的内表面平行于所述天线元件阵列。

13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述波形结构包括粗糙表面轮廓，所述粗糙表面轮廓的粗糙度轮廓的算术平均值Ra小于对应于所述天线(1)的工作频率的波长的1/10。

14.一种用于雷达系统的天线罩(3)，该天线罩具有至少部分地包括波形结构的表面，所述波形结构构造成减少电磁波从所述内表面的反射并增加电磁波通过所述天线罩(3)的透射。

15.一种车辆(10)，该车辆包括雷达系统和根据权利要求14所述的天线罩。