CN212114019U - 一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于天线技术领域，公开一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，包括：介质板、微带线、非规则阻抗变换带、阶梯型的微带线到单脊波导互连结构、介质板上的金属化过孔、单脊波导、脊上缝隙和短路端。由印刷在介质板上的微带线馈电网络对天线馈电；微带线、非规则的阻抗变换带以及阶梯型微带线到单脊波导互连结构实现了宽带、低损耗的转接结构；单脊波导、脊上缝隙和短路端构成低副瓣、高扫描角的辐射结构；介质板的下层覆铝箔，上层覆铜箔，铜箔作为单脊波导的下壁；通过交替改变单脊波导的上脊两边槽的深度激励缝隙产生不同的谐振振幅。本实用新型天线具有易集成、低成本、易加工、高效率、低副瓣、宽扫面角和低剖面等显著优点。
Description
技术领域
本实用新型属于天线技术领域，涉及一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线。
背景技术
77GHZ/79GHZ毫米波雷达具有比24GHz系统具有更小尺寸和更高分辨率、更容易实现单芯片集成等优势，将用于几乎所有的长程或中长程天线。
为了获得高增益和高效率，早期76-81GHz频段毫米波雷达天线主要采用反射面和透镜天线两种形式(或其衍生形式)。由于反射面和透镜天线固有的限制导致其波束扫描能力有限，另外其剖面较高(通常几个厘米)，导致其实现的毫米波雷达集成困难。由于平面印刷天线的优势非常明显，天线直接在PCB板上实现，很容易与毫米波电路集成且可采用标准PCB加工工艺生产，因此目前主流76-81GHz毫米波雷达均采用各种平面天线，包括平面印刷天线和平面波导天线。尽管如此，76-81GHz毫米波雷达采用平面印刷天线仍存在诸多问题，其主要问题是76-81GHz毫米波在传输过程中的介质损耗造成了天线效率变低，因此该频段对基板有着极高的要求。
平面波导天线又分为SIW(Substrate Integrated Waveguide，基片集成波导)天线、空心波导天线和间隙波导天线。SIW天线有着跟平面印刷天线一样的问题，电场在介质板中，因此大大增加了传输中的介质损耗。空心波导天线是宽边波导缝隙阵，虽然结构简单，但是带宽窄而且需要一个同相馈电波导放于底层，不易与PCB板的集成。空心波导天线是口径辐射阵，虽然电性能好，但其结构复杂，需要多层实现功能。间隙波导天线与空心波导相比，虽然降低了加工精度的要求，有利于毫米波天线的设计，但其设计和结构复杂，实现困难，也增加了成本。
具体地，现有技术存在如下缺点：
平面印刷天线：效率普遍较低(微带线传输线损耗、传输线损耗取决于基板)、交叉极化高、仅二维设计自由度(对辐射性能控制能力有限)。
SIW天线：当基板介质损耗足够低时，传输损耗优于准TEM传输线，效率取决于基板介质损耗。
空心波导天线：缝隙阵的带宽窄，而且需要额外的同相馈电波导；口径辐射阵则结构复杂，需要多层。
间隙波导天线：设计和结构复杂，实现困难，同时也增加了成本。
此外，以上天线类型针对特定应用定制设计。如果应用改变，需要重新定制设计天线，导致天线应用范围受限。
实用新型内容
为解决平面印刷天线效率低、平面波导天线难集成以及结构复杂问题，本实用新型提供一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线。
本实用新型采用如下技术方案实现：
一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，包括：
转接结构：采用阶梯型的微带线到单脊波导的转接结构；
隔离结构：金属化过孔将转接结构与单脊波导隔开；
辐射结构：通过改变单脊波导的上脊两边槽的深度，使单脊波导的电中性平面偏移单脊波导的中心线，从而激励在单脊波导中心线的脊上缝隙。
优选地，一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线包括：介质板、微带线、非规则阻抗变换带、阶梯型的微带线到单脊波导互连结构、介质板上的金属化过孔、单脊波导、脊上缝隙和短路端；其中：
微带线和非规则阻抗变换带构成微带线馈电网络对天线馈电；转接结构包括：微带线、非规则的阻抗变换带和阶梯型微带线到单脊波导互连结构；辐射结构包括：单脊波导、脊上缝隙和短路端。
优选地，介质板的下层覆铝箔，上层前部分为微带线馈电网络，上层后部分覆铜箔，铜箔作为单脊波导的下壁。
优选地，非规则阻抗变换带分为两节，第一节连接微带线，第二节连接阶梯型的微带线到单脊波导互连结构。
优选地，阶梯型的微带线到单脊波导互连结构共分为三阶：第一阶完全将微带线馈电网络与单脊波导连接；第二阶用于过渡单脊波导的上脊的高度；第三阶连接单脊波导的上脊。
优选地，脊上缝隙由多个缝隙组成，每个缝隙的长度为2mm，宽度为0.45mm；第一个缝隙与转接结构末端距离为4mm；每个缝隙的间距是λg/2，最后一个缝隙与短路端的距离为3*λg/4；λg为频率在78.5GHz时的波导波长。
优选地，单脊波导的宽边为0.78λ0，窄边为1mm，上脊宽度为1.3mm，高度为0.6mm；λ0是频率在78.5GHz时的自由空间波长。
优选地，介质板上的金属化过孔半径为0.2mm，孔间距为0.3mm。
优选地，介质板的相对介电常数为3，电损耗角正切为0.0013，厚度为0.127mm。
优选地，微带线长度为2.88mm，宽度为0.32mm。
与现有技术相比，本实用新型至少包括如下优点：
1、单脊波导与介质板集成，应用微带线馈电，减少传输中的介质损耗，实现天线宽带、低损耗的传输，高效率的辐射。具体地，将空心单脊波导与介质板集成，介质板的下层覆铝箔，上层前部分为微带线和非规则阻抗变换带构成微带线馈电网络，上层后部分覆铜箔，其中铜箔作为单脊波导的下壁。实现单脊波导与介质板的集成，应用微带线馈电，减少了传输中的介质损耗，实现了天线高效率辐射。
2、通过交替改变单脊波导的上脊两边槽的深度激励缝隙产生不同的谐振振幅，实现低成本，易加工，高效率，低副瓣的毫米波雷达缝隙阵天线。仅通过调整单脊两边槽的深度，来移动单脊波导的电中性平面，从而实现单脊上纵向缝隙不同振幅的谐振，进行副瓣抑制，实现了低副瓣缝隙阵天线的辐射。
3、为了实现空心单脊波导与介质板的集成，单脊波导的脊位于单脊波导的上臂，其中缝隙又位于单脊波导的中心线上，因此纵向缝隙开在了单脊波导的脊上，实现了单脊波导与介质板的集成，结构简单易于制作，并且制作成本低。
4、本实用新型天线是三维设计自由度，相对二维设计自由度，扩大了辐射性能控制能力。
5、非规则阻抗变换带以及阶梯型微带线到单脊波导互连结构实现了宽带、低损耗的传输。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例中一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线的结构主视图；
图2为本实用新型一个实施例中一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线的结构侧视图；
图3为本实用新型一个实施例中低副瓣单脊波导左视图；
图4为本实用新型一个实施例中低副瓣单脊波导切槽的横截面图；
图5为本实用新型一个实施例中转接结构的反射系数和传输系数；
图6为本实用新型一个实施例中天线的反射系数；
图7为本实用新型一个实施例中天线E和H面方向图，其中：7(a)为76GHz E面和H面方向图、7(b)为78.5GHz E面和H面方向图、7(c)为81GHz E面和H面方向图；
图8为本实用新型一个实施例中天线的效率和增益。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施进行说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，包括：
转接结构：实现宽带、低损耗的传输，用阶梯型的微带线到单脊波导的转接结构；
隔离结构：金属化过孔将转接结构与空心单脊波导隔开，以减少转接结构对单脊波导缝隙阵天线的影响；
辐射结构：通过改变单脊波导的上脊两边槽的深度，使电中性平面偏移单脊波导的中心线，从而激励在单脊波导中心线的纵向缝隙。
下面给出一个工作于毫米波雷达频段(76GHz-81GHz)单脊波导缝隙阵天线的具体设计实例。
如图1所示，一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线包括：介质板1(PCB板)、微带线2、非规则阻抗变换带3、阶梯型的微带线到单脊波导互连结构4、介质板上的金属化过孔5、空心单脊波导6、脊上纵向缝隙7和短路端8。介质板下层覆铝箔，上层前部分为微带线和非规则阻抗变换带构成微带线馈电网络，后部分覆铜箔，其中铜箔作为单脊波导的下壁；微带线馈电网络连接阶梯型的微带线到单脊波导互连结构实现转接结构的设计；空心单脊波导的脊上开纵向缝隙，在距离最后一个缝隙3*λg/4(λg是频率在78.5GHz时的波导波长)处连接短路端构成辐射结构；阶梯型的微带线到单脊波导互连结构底下是一环金属化过孔，以隔绝转接结构对辐射结构的影响。
介质板为RogersRT/Duroid3003，其相对介电常数为3，电损耗角正切为0.0013，厚度为0.127mm，尽量减少介质板的损耗，实现低介质损耗。
具体地：
转接结构：包括微带线、非规则阻抗变换带、阶梯型的微带线到单脊波导互连结构，具有宽带、低损耗的特点。
微带线和非规则阻抗变换带构成的微带线馈电网络对天线馈电，微带线馈电网络印刷在介质板上，与传统的SIW的馈电相比，微带线馈电网络是将SIW的介质损耗转化为微带线的空气损耗，实现了更低的传输损耗。微带线长度设计为2.88mm，为保证微带线的输入阻抗为50Ω，微带线宽度设计为0.32mm。如图1所示，非规则阻抗变换带主要作用是实现微带线连接到阶梯型的微带线到单脊波导互连结构的过渡，改善微带线与阶梯型的微带线到单脊波导互连结构连接的匹配。非规则阻抗变换带分为两节，第一节连接微带线，第二节连接阶梯型的微带线到单脊波导互连结构。
如图2所示，阶梯型的微带线到单脊波导互连结构主要是为了实现微带线馈电网络连接一定高度的单脊波导的良好匹配，从而降低传输中的损耗。阶梯型的微带线到单脊波导互连结构共分为三阶：第一阶完全将微带线馈电网络与单脊波导连接；第二阶用于过渡单脊波导的上脊的高度；第三阶连接单脊波导的上脊。阶梯型的微带线到单脊波导互连结构底下是一环金属化过孔，将转接结构与空心单脊波导隔开，以减少转接结构对单脊波导缝隙阵天线的影响。
辐射结构：空心单脊波导、脊上纵向缝隙、短路端构成辐射结构，具有低副瓣、高扫描角的特点。
空心单脊波导的宽边为0.78λ0(λ0是频率在78.5GHz时的自由空间波长)，窄边为1mm，上脊宽度为1.3mm，高度为0.6mm。
如图1、图2、图3所示在空心单脊波导的脊上开十个在中心线共线的脊上纵向缝隙7，以获得稳定对称的辐射方向图，每个缝隙的长度为2mm，宽度为0.45mm。第一个缝隙与转接结构末端距离为4mm，为了让激励起的单脊波导的高次模式衰减掉；每个缝隙的间距是λg/2(λg为频率在78.5GHz时的波导波长)，第十个缝隙与短路端的距离为3*λg/4(λg为频率在78.5GHz时的波导波长)，为了让单脊波导的工作状态是谐振阵。为了实现更宽的水平波束，采用抬高每个辐射缝隙的高度(0.3mm)的方法，增加水平电流所流过的表面长度，从而展宽了水平3dB波束宽度。通过交替改变单脊波导的上脊两侧槽的深度，使单脊波导的电中性平面偏离单脊波导中心线，因此在脊中心线上的脊上纵向缝隙可以截断单脊波导的表面电流，产生谐振并辐射能量。通过控制单脊波导的上脊两边槽的深度，根据泰勒分布对缝隙激励进行加权，对副瓣进行抑制，实现低副瓣缝隙阵天线。
由图2与图4可知，为抑制副瓣电平需要每个缝隙的相位保持一致，而每个缝隙的辐射幅度为泰勒分布，实施例中提供天线的每个单脊波导的上脊两侧臂长分别为：slot1＝slot10：b1(1.32mm)、b2(1.28mm)；slot2＝slot9：b1(1.35mm)、b2(1.25mm)；slot3＝slot8：b1(1.4mm)、b2(1.2mm)；slot4＝slot7：b1(1.44mm)、b2(1.16mm)；slot5＝slot6：b1(1.5mm)、b2(1.1mm)。
隔离结构：为介质板上的金属化过孔。金属化过孔半径为0.2mm，孔间距为0.3mm。
采用Ansoft HFSS v18高频电磁仿真软件对本实施例天线进行仿真和优化，结果如下：
图5是实施例中提供的转接结构的反射系数以及传输系数曲线。可知，在76GHz到81GHz频带内，反射系数<-10dB，传输系数<0.42dB。
图6是本实用新型实施例中提供天线的反射系数示意图，可知，天线的阻抗带宽为75.94GHz-81.21GHz，相对带宽6.7％。
图7是本实用新型实施例中提供的天线E和H面方向图示意。可知，在H面，整个频带内都能实现副瓣电平低于-25dB，实现了较好的副瓣抑制效果，波束最大指向偏差为±2°。在E面，76GHz为频带内最小水平3dB波束宽度，但仍然能达到120°，频率越大，水平3dB波束宽度越大，81GHz为频带内最大水平3dB波束宽度为160°。
图8是本实用新型实施例中提供的天线效率与增益示意图。可知，增益从12.5dBi到14.5dBi，带内平均增益为13.5dBi；效率从0.89％到97％，带内平均增益为95％。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，包括：
转接结构：采用阶梯型的微带线到单脊波导的转接结构；
隔离结构：金属化过孔将转接结构与单脊波导隔开；
辐射结构：通过改变单脊波导的上脊两边槽的深度，使单脊波导的电中性平面偏移单脊波导的中心线，从而激励在单脊波导中心线的脊上缝隙。
2.根据权利要求1所述的毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，包括：介质板、微带线、非规则阻抗变换带、阶梯型的微带线到单脊波导互连结构、介质板上的金属化过孔、单脊波导、脊上缝隙和短路端；其中：
微带线和非规则阻抗变换带构成微带线馈电网络对天线馈电；转接结构包括：微带线、非规则的阻抗变换带和阶梯型微带线到单脊波导互连结构；辐射结构包括：单脊波导、脊上缝隙和短路端。
3.根据权利要求2所述的毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，介质板的下层覆铝箔，上层前部分为微带线馈电网络，上层后部分覆铜箔，铜箔作为单脊波导的下壁。
4.根据权利要求2所述的毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，非规则阻抗变换带分为两节，第一节连接微带线，第二节连接阶梯型的微带线到单脊波导互连结构。
5.根据权利要求2所述的毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，阶梯型的微带线到单脊波导互连结构共分为三阶：第一阶完全将微带线馈电网络与单脊波导连接；第二阶用于过渡单脊波导的上脊的高度；第三阶连接单脊波导的上脊。
6.根据权利要求2所述的毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，脊上缝隙由多个缝隙组成，每个缝隙的长度为2mm，宽度为0.45mm；第一个缝隙与转接结构末端距离为4mm；每个缝隙的间距是λg/2，最后一个缝隙与短路端的距离为3*λg/4；λg为频率在78.5GHz时的波导波长。
7.根据权利要求2所述的毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，单脊波导的宽边为0.78λ0，窄边为1mm，上脊宽度为1.3mm，高度为0.6mm；λ0是频率在78.5GHz时的自由空间波长。
8.根据权利要求2所述的毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，介质板上的金属化过孔半径为0.2mm，孔间距为0.3mm。
9.根据权利要求2所述的毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，介质板的相对介电常数为3，电损耗角正切为0.0013，厚度为0.127mm。
10.根据权利要求2所述的毫米波雷达单脊波导缝隙阵天线，其特征在于，微带线长度为2.88mm，宽度为0.32mm。
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| CN115036701A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-09-09 | 上海几何伙伴智能驾驶有限公司 | 基于非辐射边侧馈转波导结构的车载雷达天线单元 |
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