CN208690502U - 基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，属于天线技术领域。系统包括介质基板以及设置于介质基板上的发射天线和接收天线，所述的发射天线包括第一类直线型发射天线和平面阵列型发射天线，所述的接收天线包括直线型接收天线，所述的发射天线和接收天线均与77GHz毫米波雷达连接。与现有技术相比，本实用新型具有可以实现用于中距离和远距离探测、低成本、小体积以及高性能等优点。

Description

基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，具体是指一种基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统。

背景技术

毫米波雷达目前被广泛的应用于交通探测领域，而其中77GHz毫米波雷达无论是在体积还是在探测精度还是探测距离上都有着非常大的优势，这是由于77GHz的雷达微带天线更容易在较小的天线体积下实现窄波束和高增益。因为这些特性，基于77GHz的毫米波雷达将成为主动安全的标准配置。77GHz的雷达对应的波长更短，其电磁波产生的电磁辐射电磁线路加工工艺及精度都有很高的一个水平。以天线为例，采用微带阵列天线需要直接印制在微波印制板的表面，由于极高的频率和极小的波长，使得天线的电尺寸也更小，加工的误差要求也更加严格。目前对于77GHz毫米波雷达的天线设计还较少。

专利CN201520832615.0提出了一种大间距布阵的77GHz车载雷达微带天线，虽然克服了传统微带天线布设困难的缺陷，但是没有考虑体积因素，在设计天线时采用了大间距144个天线单元组成的12*12的方形阵列，会对整体PCB板的体积有较大的影响。

专利CN201110175648.9提供了一种采用天线与透镜结合的方式，由透镜载板、多个介质透镜、1个发射天线、多个接收天线和无线收发控制模块构成，无线收发控制模块集成了发射控制模块和接收控制模块，其中介质透镜的数量等于发射天线和接收天线的数量之和。整体设计结构复杂，而且体积较大，不易商业化。

专利CN200920039530.1提供了一种用于微波毫米波频段的车用天线，采用双面单层PCB工艺，利用上下金属表面和一侧金属化通孔阵列来实现对电磁波的封闭，而在开口面实现有效漏波辐射。这种设计一方面难以实现大发射功率，另一方面金属化阵孔阵列不容易实现。

专利CN200820163086.X提出了抗振、防尘，适用于毫米波飞机、汽车船只雷达及通信设备收发传感的天线结构，由微带集成天线、介质透镜、物镜、阵列基座、反射镜、防护罩、波束转换开关构成，介质透镜的圆柱体部分长度可改变，天线阵列射程线阵或面阵。此方案虽然给出了介质透镜天线及阵列实现的具体实现环节，但是并没有具体揭示其在某一个工作频段，如77GHz条件下的具体实现方式。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述问题提供一种具有高稳定性、小型化、低成本的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，所述系统包括介质基板以及设置于介质基板上的发射天线和接收天线，所述的发射天线包括第一类直线型发射天线和平面阵列型发射天线，所述的接收天线包括直线型接收天线，所述的发射天线和接收天线均与77GHz毫米波雷达连接。

优选地，所述第一类直线型发射天线包括多个发射天线阵元，所述的发射天线阵元呈直线排列，通过馈线相互连接。

优选地，所述第一类直线型发射天线上发射天线阵元的宽度以渐变方式排布，具体为：所述第一类直线型发射天线上中间端的发射天线阵元的宽度最大，左右两端的发射天线阵元宽度相对于中间端的发射天线阵元的宽度依次递减。

优选地，所述发射天线阵元的长度范围为0.98～1.2mm。

优选地，所述平面阵列型发射天线包括多个平行设置的第二类直线型发射天线，所述第二类直线型发射天线通过阻抗变换器结构与功分器的第二端连接，所述功分器的第一端与77GHz毫米波雷达连接。

优选地，所述直线型接收天线的结构与第一类直线型发射天线的结构相同，所述第二类直线型发射天线的结构与第一类直线型发射天线的结构相同。

优选地，所述第一类直线型发射天线的数量不少于2个，相互之间平行。

优选地，所述发射天线和接收天线的走线长度之差为介质波长的整数倍。

优选地，所述系统还包括伴随天线，所述的伴随天线与接收天线平行。

优选地，所述介质基板上还设有接地板。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型提出的基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，通过设置直线型发射天线、直线型接收天线和平面阵列型发射天线的结构设置，解决了现有技术中基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统体积大的缺陷，实现了系统的小型化，同时由于平面阵列型发射天线的结构设置，可以提高系统整体的探测距离，从而提高系统的稳定性，实现毫米波雷达的中距离和远距离探测。

(2)直线型发射天线包括多个发射天线阵元，相互之间呈直线排列并通过馈线连接，直线型接收天线的结构也相同，这样的连接结构体积小且易于实现，从而提高了系统的小型化程度，也降低了系统成本。

(3)直线型发射天线上发射天线阵元的宽度以渐变方式排布，这样的排布方式可以控制电流振幅比，从而保证实现主射方向在垂直于天线介质板方向和低副瓣的要求，提高系统性能。

(4)发射天线阵元的长度范围为0.98～1.2mm，这样的长度设置可以使得每根天线的相邻天线阵元的中心间距得到控制，从而保证波束主射方向不偏转，提高系统低副瓣且高增益的特性。

(5)平面阵列型发射天线由多个平行设置的直线型发射天线通过功分器和阻抗变换器结构连接构成，这样的结构方式易于实现，且无需额外生产，降低生产成本，提高生产效率。

(6)发射天线和接收天线的走线长度之差为介质波长的整数倍，这样可以保证相位相等，保证系统性能。

(7)系统还设有伴随天线，平行设置于接收天线两侧，可以使接收天线达到更好的一致性，提高系统性能。

附图说明

图1为基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统的结构示意图；

图2为直线型发射天线的结构示意图；

图3为平面阵列型发射天线的结构示意图；

其中，1为介质基板，2为馈线，3为77GHz毫米波雷达，4为微带线，5为馈线，6为天线阵元，7为直线型天线，8为微带面阵中的直线阵列单元，9是功分器输入端，10为阻抗匹配枝节，11为功分器输出端。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，为本发明基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统的结构示意图。

在一种实施方式中，该基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，包括介质基板以及设置于介质基板上的发射天线和接收天线，发射天线包括第一类直线型发射天线和平面阵列型发射天线，接收天线包括直线型接收天线，发射天线和接收天线均与77GHz毫米波雷达连接。

具体来说，系统中的第一类直线型发射天线包括多个发射天线阵元，发射天线阵元呈直线排列，通过馈线相互连接。第一类直线型发射天线上发射天线阵元的宽度以渐变方式排布，具体为：第一类直线型发射天线上中间端的发射天线阵元的宽度最大，左右两端的发射天线阵元宽度相对于中间端的发射天线阵元的宽度依次递减。而发射天线阵元的长度范围为0.98～1.2mm。平面阵列型发射天线包括多个平行设置的第二类直线型发射天线，第二类直线型发射天线通过阻抗变换器结构与功分器的第二端连接，功分器的第一端与77GHz毫米波雷达连接。第一类直线型发射天线的数量不少于2个，相互之间平行。直线型接收天线的结构与第一类直线型发射天线的结构相同，第二类直线型发射天线的结构也与第一类直线型发射天线的结构相同。发射天线和接收天线的走线长度之差为介质波长的整数倍。除此之外，系统还包括伴随天线，伴随天线与接收天线平行。而介质基板上还设有接地板。

在实际应用中，本发明基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统的具体实现方式，通过以下实施例说明。

实施例1

如图1所示为本实施例中基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统的结构示意图，本实施例中，微带阵列天线系统具体为三发四收阵列天线结构，即包含三个发射天线和四个接收天线的系统结构，发射天线和接收天线的实际数量可以根据实际情况进行灵活选择，不局限于本实施例中的数量设置。

从图中可以看出，本实施例中的微带阵列天线系统主要包括介质基板和设置于其表面上的多根天线。介质基板1的背面还设置有导电的接地板(图中未标识)。本实施例中，为了达到更好的系统性能，介质基板1采用型号为Rogers3003的介质基板，介电常数为3，厚度为0.127mm，上述介质基板的参数均可根据实际情况进行选择，本实施例提供的只是其中的一种优选方案，多根天线通过馈线2与77GHz毫米波雷达3这一芯片相连。

从图1中可以看出，本实施例中的天线按照结构可以划分为两类，一种是直线型结构，另一种则是平面阵列型结构，其中直线型结构的天线包括有直线型发射天线和直线型接收天线，而平面阵列型结构则只涉及到平面阵列型发射天线，从图2中可以看出，每根直线型天线7由多个辐射单元即天线阵元6构成，每根天线的各个天线阵元6排列成一条直线，并通过馈线5互相连接。为了达到较好的系统性能，天线阵元6采用同材料贴片(辐射贴片)，本实施例中具体为在介质基板的表面覆铜，厚度范围为15.3mm-18.7um。而平面阵列型天线在本实施例中的实现方式为8根单根微带阵列天线(即直线型天线)利用四分之一波长阻抗变换器结构组成的微带面阵，单根天线的结构尺寸与发射天线相同，实际实现中，构成平面阵列型天线的单根阵列天线数量可以根据实际情况进行选择，不局限于8根。

本实施例中，多根天线的数目为9根，除了上述中的3根发射天线和4根接收天线以外，另有2根伴随天线未参与辐射，这两根伴随天线主要的设置目的是为了使4根接收天线达到更好的一致性。从上到下依次标记为Bs1、Rx1、Rx2、Rx3、Rx4、Bs2、Tx1、Tx2、Tx3，其中Tx3为平面阵列型发射天线。根据E面3dB波束宽度(HPBW)窄和高增益的要求，本实施例中每根天线的天线阵元即天线贴片的数目确定为12个，在实际应用中也可根据实际情况进行数量的调整。相邻发射天线之间设置为等距离，相邻接收天线之间设置为等距离，以形成等距离串馈网络。具体地，各距离如下进行设置：相邻接收天线的间距d1为1.98～2.42mm，约为0.56个空气波长(λ0)，Tx1和Tx2之间的间距为d2为7.92～9.68mm，Tx2和Tx3之间的间距d3为12.76～15.6mm。

每根天线的相邻天线阵元6的中心间距的尺寸在仿真中需要微调，以保证波束主射方向不偏转、更低副瓣电平和更高增益，为此，本实施例中天线阵元的长度范围设置为

0.98～1.2mm。

本实施例中，为了实现在E面低副瓣的要求，采用道尔夫-切比雪夫分布作为12个天线阵元的电流振幅比初值，并通过微带辐射贴片宽度的渐变可以控制电流振幅比。设计初期，可以近似认为微带贴片的宽度正比于电流振幅比，进行初始设计。先确定中间的微带贴片宽度，然后根据电流振幅比确定其他贴片宽度。然而，在改变阵元贴片宽度的同时，阵元的方向图也随之改变，电流振幅也随之改变，而且相邻的贴片也会发生互相耦合，改变彼此的电流振幅和相位，因此实际上贴片宽度与电流振幅比并没有良好的线性关系。本发明在全波仿真软件HFSS中进行调参优化，从而确定最佳的天线参数。也就是说，通过向仿真软件输入介质基板的尺寸以及功率等参数，就可以得到天线的具体参数，包括天线阵元的长度、天线阵元的宽度、各天线阵元之间的馈线的长度等。其中，随着天线阵元宽度的改变，连接天线阵元的馈线长度也需要微调，从而保证实现主射方向在垂直于天线介质板方向和低副瓣的要求。如图2所示为本发明中单根直线阵列天线的结构。其中，天线的各个参数的含义如下：L表示每根天线的各辐射贴片的长度，W(W1-W12)表示各天线阵元宽度，各天线阵元的宽度是渐变的，即中间的天线阵元宽度最大，两端的天线阵元相较于中间阵元的宽度依次递减，W_50表示50欧姆微带线的宽度，L_50表示50欧姆微带线的长度，W_mat表示四分之一阻抗变换器的宽度，L_mat表示四分之一阻抗变换器的长度，W_fed表示馈线的宽度，L(包括L1～L11)表示各馈线的长度。由8根相同的直线阵列组成了该三发四收阵列天线的四根接收天线、两根环境天线和两根发射天线。

如图3所示，Tx3是由8根单根直线阵列组成的微带平面阵列，该平面阵列的任意一根天线与图2所示的单根直线阵列的结构参数是一样的。利用一分八的功分器给8根直线阵列天线进行馈电，8根直线阵列关于中心线对称放置，直线阵列之间的间距分别为Lb、Lc、Ld、Le，组成了8×12的微带平面阵列。宽度为Wg长度为Lg的微带线为该功分器输入端9，与8根微带直线阵列天线相连的部分为功分器输出端11，为了可以对该面阵的H面方向图起到副瓣抑制，同时也为了达到整个面阵的阻抗匹配，该功分器利用了6个四分之一阻抗变换器对该功分器进行了不等幅输出，这6个阻抗变换器采用了3种规格的宽度尺寸，分别为Wa、Wb、Wc，变换器的长度为La。为了使得该平面阵列可以与50欧姆微带线相连，利用了宽度为Wp长度为Lp的微带线进行了阻抗匹配，作为阻抗匹配枝节10。经过HFSS15的仿真优化，最终得到的参数范围如表1所示。

表1微带天线阵列参数范围

而本实施例中，微带天线阵列的具体参数详见表2

表2本实施例中微带天线阵列的具体参数值

本实施例中的三发四收的微带阵列天线，通过合理设计馈线走线，使3根发射天线和4根接收天线的馈线长度相差整数倍的介质波长，以达到各天线等相位的效果。

通过对本实施例的微带阵列天线进行仿真和实验测试，本实施例的天线的效果能达到预期的技术效果。下面进行详细说明。

对本实施例的微带阵列天线进行关于天线驻波(S11)的仿真测试，仿真结果表明，天线|S11|<-10dB的驻波带宽分别为：

(1)Rx1:2.5GHz(76～78.5GHz)

(2)Rx2:2.5GHz(76～78.5GHz)

(3)Rx3:2.5GHz(76～78.5GHz)

(4)Rx4:2.5GHz(76～78.5GHz)

(5)Tx1:3GHz(75.8～78.8GHz)

(6)Tx2:3GHz(75.8～78.8GHz)

(7)Tx3:1.9GHz(75.5～77.4GHz)(|S(1,1)|<-15dB)

上述数据说明了在这些频段内工作，天线的反射系数小，阻抗特性好，可以正常工作。

对本实施例的微带阵列天线进行关于旁瓣电平(SLL)的仿真测试，仿真结果表明，在76-77GHz频段内，所有天线的SLL不大于-17.0dB。这个数值说明了在不需要的方向上出现的辐射波瓣的电平值大小。SLL越大，在不需要的方向上，会接收到较大的电平，降低信噪比，引入干扰。

对本实施例的微带阵列天线进行关于增益(Gain)的仿真测试，仿真结果表明，在76-77GHz频段内，天线Rx2、Rx3的增益大于15.0dB，天线Rx1、Rx4的增益大于13.9dB；Tx1的增益为15.8dB，Tx2的增益为12.2dB。Tx3为8×12的面阵，它的增益大于23.9dB，可以实现雷达对远距离目标探测的要求。

对本实施例的微带阵列天线进行关于3dB波束宽度(HPBW)的仿真测试，仿真结果表明，在76-77GHz频段内，7根天线E面3dB波束宽度不大于10°。这个数值说明了波束较窄，可以把能量集中在主射方向辐射。垂直面波束宽度越窄，可以避免主波束扫到比较高的物体，可以减小在垂直面上引入偏离主射方向的物体的干扰，比如广告牌，道路警示牌等。

对本实施例的微带阵列天线进行关于隔离度(Isolation)的仿真测试，仿真结果表明，在76-77GHz频段内，4根接收天线的隔离度大于22dB；三根发射天线的隔离度大于30dB；距离最近的收发天线Rx4和Tx1之间的隔离度大于50dB。隔离度从一个方面说明了天线之间的互耦和干扰，隔离度越大，互耦越小，对天线的性能影响越小。

另外，仿真结果显示，在76-77GHz频段内，各根天线的E面辐射方向图稳定，其中最大副瓣电平出现在theta＝-31.5°。在76-77GHz频段内，各根天线的H面辐射方向图稳定，单根线阵天线的3dB波束宽度约为90°，微带面阵Tx3的H面波束宽度为8.9°。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述系统包括介质基板以及设置于介质基板上的发射天线和接收天线，所述的发射天线包括第一类直线型发射天线和平面阵列型发射天线，所述的接收天线包括直线型接收天线，所述的发射天线和接收天线均与77GHz毫米波雷达连接。

2.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述第一类直线型发射天线包括多个发射天线阵元，所述的发射天线阵元呈直线排列，通过馈线相互连接。

3.根据权利要求2所述基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述第一类直线型发射天线上发射天线阵元的宽度以渐变方式排布，具体为：所述第一类直线型发射天线上中间端的发射天线阵元的宽度最大，左右两端的发射天线阵元宽度相对于中间端的发射天线阵元的宽度依次递减。

4.根据权利要求2所述基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述发射天线阵元的长度范围为0.98～1.2mm。

5.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述平面阵列型发射天线包括多个平行设置的第二类直线型发射天线，所述第二类直线型发射天线通过阻抗变换器结构与功分器的第二端连接，所述功分器的第一端与77GHz毫米波雷达连接。

6.根据权利要求5所述基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述直线型接收天线的结构与第一类直线型发射天线的结构相同，所述第二类直线型发射天线的结构与第一类直线型发射天线的结构相同。

7.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述第一类直线型发射天线的数量不少于2个，相互之间平行。

8.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述发射天线和接收天线的走线长度之差为介质波长的整数倍。

9.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述系统还包括伴随天线，所述的伴随天线与接收天线平行。

10.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线系统，其特征在于，所述介质基板上还设有接地板。