CN117954850A - 一种双层全金属车载毫米波雷达天线及其收发阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层全金属车载毫米波雷达天线及其收发阵列，包括上下贴合设置的辐射层和间隙波导层；所述间隙波导层包括馈电波导口、间隙波导馈线和谐振腔，所述间隙波导馈线的一端穿过间隙波导层底面与馈电波导口连接，另一端与谐振腔连接；所述辐射层包括矩形槽和开口喇叭，所述矩形槽与开口喇叭连接。本发明能够降低传输损耗，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，两层结构可以使得加工装配的难度和成本大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特别涉及一种双层全金属车载毫米波雷达天线及其收发阵列。
背景技术
目前的车载毫米波雷达随着收发天线通道数和探测维度的增加，雷达的面积增大，板材层数的增加，这将导致雷达芯片到天线的馈线损耗大大增加，成本增加，工序复杂。
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，并且天线层数过多，存在的风险误差越大，工序越繁琐。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，通道间隔离度恶化，天线性能恶化。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
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种双层全金属车载毫米波雷达天线及其收发阵列。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种双层全金属车载毫米波雷达天线，包括上下贴合设置的辐射层和间隙波导层；
所述间隙波导层包括馈电波导口、间隙波导馈线和谐振腔，所述间隙波导馈线的一端穿过间隙波导层底面与馈电波导口连接，另一端与谐振腔连接；
所述辐射层包括矩形槽和开口喇叭，所述矩形槽与开口喇叭连接。
进一步，所述间隙波导馈线包括馈线周期销钉结构、凹槽及顶部金属板，所述凹槽设置在间隙波导层的中心位置，馈线周期销钉结构由沿着凹槽的边缘排布销钉构成，所述顶部金属板为辐射层的底面。
进一步，所述谐振腔是由周期销钉结构围起来的长方形，周期销钉结构等效为谐振腔的四壁，间隙波导层的顶面作为谐振腔的底面，辐射层的底面作为谐振腔的顶面。
进一步，所述凹槽设置在谐振腔的正下方。
进一步，所述矩形槽为多个，纵向共线排列，位于谐振腔中心线的上方，通过切割谐振腔壁上电流实现同相辐射,矩形槽以谐振腔中心为对称点，并且矩形槽的长边垂直于谐振腔的长边，形成垂直极化电场。
进一步，还包括两块匹配块，所述间隙波导馈线的一端与馈电波导口相接，在转接处放置第二匹配块降低反射系数，间隙波导馈线的另一端通过谐振腔长边中心位置接入，通过第一匹配块降低反射系数。
进一步，所述谐振腔产生TE150模式的场分布，所述谐振腔的长边为11.4mm，短边3.1mm，高度1mm。
进一步，所述矩形槽与谐振腔之间间隔距离设置。
进一步，销钉采用圆柱结构，周期为1.5mm。
一种收发阵列，包括三个发射天线和四个接收天线，所述发射天线及接收天线均由所述的双层全金属车载毫米波雷达天线构成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明在77GHz频段内可辐射出一种垂直极化波，并且带宽覆盖76-81GHz，可用于毫米波前雷达、角雷达等。
(2)本发明在底部采用波导传输线进行侧边中心馈电，避免了馈电结构给天线辐射性能带来的不利影响同时减少天线层数。
(3)本发明采用双层金属板无缝贴合即可实现优秀的天线性能，极大的减少了制作、焊接和安装等工序，降低成本且利于量产化，是目前层数最少且兼顾天线优秀性能(副瓣电平小于-25dB和超宽带)和高容差的天线结构。
(4)本发明利用周期销钉结构避免层与层之间贴合存在间隙导致电磁波泄露的问题，当间隙为0.2mm时，依然能够保证天线方向图稳定，回波损耗小于-10dB，增益基本不变，满足国内加工和焊接误差。
附图说明
图1是本发明一种双层全金属车载毫米波雷达天线结构示意图；
图2是图1的部分结构图
图3是辐射层的斜视图；
图4是间隙波导层的的斜视图；
图5是图1的左视图；
图6是本发明提供的一种双层全金属车载毫米波雷达天线收发阵列的示意图；
图7是辐射层的俯视图；
图8是间隙波导层的斜视图；
图9是图5的左视图
图10是本发明提供的双层全金属车载毫米波雷达天线收发阵列在有无层间隙情况下的驻波对比图；
图11是本发明提供的双层全金属车载毫米波雷达天线收发阵列在有无层间隙情况下的方向图对比图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1-图5所示，一种双层全金属车载毫米波雷达天线，从上至下包括贴合设置的辐射层1和间隙波导层2。
所述间隙波导层包括馈电波导口2AE、间隙波导馈线和谐振腔2B，所述间隙波导馈线的一端穿过间隙波导层底面与馈电波导口连接，另一端与谐振腔2B连接，所述馈电波导口2AE贯穿间隙波导层2底部，通过相应测试设备实现馈电。
所述辐射层1包括矩形槽和开口喇叭1C，所述矩形槽与开口喇叭1C连接，所述开口喇叭的开口向上。
进一步，所述间隙波导馈线包括馈线周期销钉结构2AA、凹槽2AB及顶部金属板，所述凹槽设置在间隙波导层的中心位置，馈线周期销钉结构由沿着凹槽的边缘排布销钉构成，所述顶部金属板为辐射层的底面。
具体地，凹槽设置在谐振腔的正下方。
所述间隙波导馈线的一端与馈电波导口相接，在转接处放置第二匹配块2AD降低反射系数，间隙波导馈线的另一端通过谐振腔长边中心位置接入，通过相应的第一匹配块2AC降低反射系数；所述馈电波导口2AE、周期销钉结构2AA和间隙波导层上的凹槽的尺寸没有限制，满足77GHz下TE10模式的电磁波传输、截止、测试和加工即可。
本实施例优选尺寸为：
馈电波导口采用标准波导WR12的尺寸，周期销钉结构采用圆柱结构，半径0.4mm，高度1mm，周期为1.5mm，间隙波导层上的凹槽深度为1.8mm，槽宽为1mm，第一匹配块长边1.35mm，短边1mm，高度0.9mm，第二匹配块长边0.95mm，短边1mm，高度1.9mm。
进一步，所述谐振腔2B是由周期销钉结构围起来的长方形，周期销钉结构等效为谐振腔的四壁，间隙波导层的顶面作为谐振腔的底面，辐射层的底面作为谐振腔的顶面，所述谐振腔可产生TE150模式的场分布。
本实施例中，谐振腔的优选尺寸为长边11.4mm，短边3.1mm，高度1mm。
所述辐射层包括矩形槽和开口喇叭，所述矩形槽为多个，纵向共线排列，位于谐振腔中心线的上方，通过切割谐振腔壁上电流实现同相辐射,矩形槽以谐振腔中心为对称点，并且矩形槽的长边垂直于谐振腔的长边，形成垂直极化电场。
进一步，所述矩形槽与谐振腔之间间隔一定距离，本实施例中矩形槽的长边为2mm，短边1mm，槽深1mm，尺寸并非固定，根据性能优劣适当调节。
本实施例中辐射层包括四个矩形槽和一个开口向上的喇叭，所述矩形槽贯穿辐射层的底部；所述喇叭贯穿辐射层顶部，所述四个矩形槽分别为第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽及第四矩形槽。
具体地，所述喇叭内设置三个金属凸块，每个金属凸块设置在两个矩形槽之间。所述三个金属凸块分别为第一金属凸块、第二金属凸块及第三金属凸块。所述矩形槽的个数与垂直面波束宽度有关，个数越多，波束宽度越窄。
所述开口向上的喇叭则与矩形槽无缝衔接，可降低波束副瓣；向空间实现电磁波的辐射。得益于间隙波导结构的低损耗和大加工容差的特性，上述双层全金属车载毫米波雷达天线，能够降低传输损耗，有效提高能量或电磁波的传输效率，且与目前常见的车载毫米波雷达波导天线相比，可存在一定的层间隙，且层数少，加工装配的难度大大降低。
实施例2
如图6-图9所示，一种收发阵列，具体为双层结构，可以直接与射频板相连，适用于毫米波车载雷达产品中，可以大大的降低成本，并且采用周期销钉结构，可以增加安装容差和避免电磁波泄露导致方向图抖动、增加损耗等问题。
所述收发阵列包括三个发射天线和四个接收天线，接收天线及发射天线均为本发明实施例1中的双层全金属车载毫米波雷达天线。
对所提供的双层全金属车载毫米波天线进行了仿真实验验证，可以得到图10到图11所示测试结果，下面分别进行介绍：
具体地，图10为图所述天线收发阵列的回波损耗的仿真结果；横坐标表示频率(Frequency)，纵坐标表示回波损耗。
由图10以看出，在68～88GHz范围内，回波损耗优于10dB，具有较优的匹配效果，同时当辐射层与间隙波导层的间隙mh＝0.2mm时，同样有较大的频段内回波损耗优于10dB。
图11是本实施例中提供的双层全金属天线收发阵列在77GHz下的H面和E面方向图，H面方向图为图中宽波束，E面方向图为图中窄波束。由图可知，E面方向图副瓣电平低于-25dB，实现了较好的副瓣抑制效果；天线在68GHz～88GHz的带内增益范围为14.5dBi～15dBi，当辐射层与间隙波导层的间隙mh＝0.2mm时，方向图(图中虚线)基本不变。
从仿真结果可以看出，本发明提供的间隙波导天线具有超带宽、低副瓣、高增益等显著优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，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 (10)
1.一种双层全金属车载毫米波雷达天线，其特征在于，包括上下贴合设置的辐射层和间隙波导层；
所述间隙波导层包括馈电波导口、间隙波导馈线和谐振腔，所述间隙波导馈线的一端穿过间隙波导层底面与馈电波导口连接，另一端与谐振腔连接；
所述辐射层包括矩形槽和开口喇叭，所述矩形槽与开口喇叭连接。
2.根据权利要求1所述的双层全金属车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述间隙波导馈线包括馈线周期销钉结构、凹槽及顶部金属板，所述凹槽设置在间隙波导层的中心位置，馈线周期销钉结构由沿着凹槽的边缘排布销钉构成，所述顶部金属板为辐射层的底面。
3.根据权利要求1所述的双层全金属车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述谐振腔是由周期销钉结构围起来的长方形，周期销钉结构等效为谐振腔的四壁，间隙波导层的顶面作为谐振腔的底面，辐射层的底面作为谐振腔的顶面。
4.根据权利要求2所述的双层全金属车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述凹槽设置在谐振腔的正下方。
5.根据权利要求1所述的双层全金属车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述矩形槽为多个，纵向共线排列，位于谐振腔中心线的上方，通过切割谐振腔壁上电流实现同相辐射,矩形槽以谐振腔中心为对称点，并且矩形槽的长边垂直于谐振腔的长边，形成垂直极化电场。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双层全金属车载毫米波雷达天线，其特征在于，还包括两块匹配块，所述间隙波导馈线的一端与馈电波导口相接，在转接处放置第二匹配块降低反射系数，间隙波导馈线的另一端通过谐振腔长边中心位置接入，通过第一匹配块降低反射系数。
7.根据权利要求1所述的双层全金属车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述谐振腔产生TE150模式的场分布，所述谐振腔的长边为11.4mm，短边3.1mm，高度1mm。
8.根据权利要求5所述的双层全金属车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述矩形槽与谐振腔之间间隔距离设置。
9.根据权利要求2或3所述的双层全金属车载毫米波雷达天线，其特征在于，销钉采用圆柱结构，周期为1.5mm。
10.一种收发阵列，其特征在于，包括三个发射天线和四个接收天线，所述发射天线及接收天线均由权利要求1-9任一项所述的双层全金属车载毫米波雷达天线构成。
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