CN217544916U - 一种变形余割赋形毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种变形余割赋形毫米波天线，天线由多个辐射单元的天线阵组成，所述辐射单元按照预设的距离等距排布，所述天线的俯仰方向图在目标视场角范围内满足变形余割函数。本实用新型实施例提供的一种变形余割赋形毫米波天线，使人员目标在要求的覆盖区域内移动的情况下，能够实现对于覆盖区域内不同距离的目标接收回波功率大致相等，从而有效提升发射能量的利用效率，减小盲区。

Description

一种变形余割赋形毫米波天线

技术领域

本实用新型涉及无线电波的反射的定位和存在检测技术领域，尤其涉及一种变形余割赋形毫米波天线。

背景技术

随着毫米波集成电路的快速发展和智慧城市、智慧交通、自动驾驶等领域需求的快速增长，毫米波雷达得到越来越广泛的应用。多发射、多接收天线的调频连续波毫米波雷达因其既能测距、测角、测速又实现简便的优点得到了广泛应用。毫米波天线是这类雷达的关键部件，其性能的差异对整个雷达的性能影响很大。

这种毫米波雷的基本工作原理是：雷达通过发射天线向外发射一组线性调频(FMCW)的毫米波，接收天线接收目标的反射信号，经过混频、采样、模数转换后进行信号处理，快速准确地获取每个目标的位置、速度、运动方向等信息。在目标形状、信号处理方法和发射功率不变的情况下，雷达的覆盖范围主要由天线所决定。

在现有技术中，毫米波雷达天线种类多样，就结构形式来说有反射面天线、介质聚焦天线、喇叭天线、微带平面阵列天线等类型，其中微带平面阵列天线由于结构简单、体积小、实现容易等优点在低功率场景得到了广泛应用。就辐射波束形状来说有笔形波束、扇形波束、余割平方赋形波束、余割4次方赋形波束等。笔形波束和扇形波束一般用于方位方向，用来覆盖特定的方位区域。余割平方赋形波束和余割4次方赋形波束一般用在要求具有相等目标信号的俯仰方向，余割平方赋形波束用于收发天线具有相同波束的场景，余割4次方赋形波束用在单一天线场景，上述两种赋形波束适用于目标尺寸远小于距离尺寸，目标可以视作点目标的情况。实际的智慧城市、智慧交通中用到的毫米波雷达检测人员场景，比如路口人行横道上人员的监测和商超、居室、养老院等室内场景的人员监测，其被检测目标是人员，高度在1.7米左右，覆盖范围也就在十几米以内，雷达安装高度在2～3.5米。在实际应用中发现，无论是笔形波束、扇形波束、余割平方赋形波束和余割4次方赋形波束均不能在要求的区域内做到目标回波信号大致相等，并且在近距离位置(比如2.5米以内)存在盲区。

因此，现在针对近距离人员监测的场景，需要一种新型的赋形波束天线，其目标回波信号在要求的区域内大致相等，用来解决盲区并保持较大的覆盖范围。

对于平面赋形天线，均采用天线阵列来实现赋形波束，而赋形天线阵列要求每个辐射单元的幅度和相位均不同，现有技术均采取比较复杂的由多个不对称功分器组成的馈电网络来满足需求。为降低制作难度和成本，也需要一种简便的方式来实现对幅度和相位均有特定要求的馈电方式。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种变形余割赋形毫米波天线。

第一方面本实用新型实施例提供一种变形余割赋形毫米波天线，包括：

天线由多个辐射单元的天线阵组成，所述辐射单元按照预设的距离等距排布，所述天线的俯仰方向图在目标视场角范围内满足变形余割函数：

其中：G(θ)为发射及接收天线方向图俯仰方向随θ变化的增益值；G₀为发射及接收天线在俯仰角为0度时的增益值；θ₀为雷达安装的下倾角，也是变形余割赋形的起始角；θ₁为雷达需要覆盖的角度范围。

其中，所述辐射单元和馈电均由单层介质基片上的金属线路组成。

其中，所述辐射单元的辐射幅度受所述辐射单元的宽度控制，所述辐射单元的相位受所述辐射单元之间的馈线长度控制，所述辐射单元之间的馈线为曲线馈线。

其中，通过调整所述辐射单元的垂直位置实现阻抗匹配。

本实用新型实施例提供的一种变形余割赋形毫米波天线，使人员目标在要求的覆盖区域内移动的情况下，能够实现对于覆盖区域内不同距离的目标接收回波功率大致相等，从而有效提升发射能量的利用效率，减小盲区。并且结构简单、可靠性高、实现方便，可以降低加工难度和加工成本。采用这种天线赋形和天线结构可以提高人员检测毫米波雷达的性能，更好的适用应用场景，促进毫米波人员检测雷达的发展和普及。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种变形余割赋形毫米波天线结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的雷达和目标位置关系示意图；

图3是本实用新型实施例提供的天线结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的目标、综合和电磁场仿真方向图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1是本实用新型实施例提供的一种变形余割赋形毫米波天线结构示意图，如图1所示，包括：

天线由多个辐射单元的天线阵组成，所述辐射单元按照预设的距离等距排布，所述天线的俯仰方向图在目标视场角范围内满足变形余割函数：

其中：G(θ)为发射及接收天线方向图俯仰方向随θ变化的增益值；G₀为发射及接收天线在俯仰角为0度时的增益值；θ₀为雷达安装的下倾角，也是变形余割赋形的起始角；θ₁为雷达需要覆盖的角度范围。

图1中，1为匹配传输线，2为馈线，3为辐射单元，4为接地板，5为介质基板，6为辐射单元和馈线金属。具体的，是通过用辐射单元之间的曲线馈线来控制馈线长度L_Fij，进而控制每个辐射单元的相位，用辐射单元的宽度W_Pi来控制该辐射单元的辐射幅度。

可以理解的是，通过对余割平方赋形波束盲区大、不能实现目标回波功率大致相等要求这一现象的分析，得出其主要原因是：在这种近距离非点型目标的情况下，雷达和目标位置关系如图2所示，图2是本实用新型实施例提供的雷达和目标位置关系示意图。随着目标的移动，目标到雷达的距离R在变化，同时目标相对于雷达的夹角θ也在变化，虽然目标尺度没有变化，但是目标对于雷达的散射截面在变化，其随角度θ的变化规律是：

RCS＝RCS₀*COS(θ+θ₀)

为补偿距离R和散射截面RCS的变化，提出一种符合上述公式的变形余割赋形方向图来满足在目标移动时反射信号大致相等的要求。

在上述实施例的基础上，通过调整所述辐射单元的垂直位置ΔW_i实现阻抗匹配。

本实用新型实施例提供的一种变形余割赋形毫米波天线，使人员目标在要求的覆盖区域内移动的情况下，能够实现对于覆盖区域内不同距离的目标接收回波功率大致相等，从而有效提升发射能量的利用效率，减小盲区。并且结构简单、可靠性高、实现方便，可以降低加工难度和加工成本。采用这种天线赋形和天线结构可以提高人员检测毫米波雷达的性能，更好的适用应用场景，促进毫米波人员检测雷达的发展和普及。

对于该天线对应的方法实施，本实用新型包括以下步骤：

确定天线所需的变形余割赋形函数G(θ)、辐射单元数目N及辐射单元之间的间距L；

根据所述变形余割赋形函数G(θ)、辐射单元数目N及辐射单元之间的间距L，计算得到每个辐射单元的幅度A_i和相位

选定所有辐射单元的长度L_P及辐射单元之间的馈线宽度W_F，根据所述每个辐射单元的幅度A_i和相位

确定每个辐射单元的宽度W_Pi和辐射单元之间的馈线长度L_Fij。

具体的，需要确定介质基板材料和尺寸，确定辐射单元的长度L_P，根据幅度A_i确定每个辐射单元的宽度W_Pi。根据阻抗匹配确定单元之间的馈线宽度W_F，根据

确定馈线长度L_Fij。

在上述实施例的基础上，所述方法还包括：

调整每个辐射单元的位置偏移量ΔW_i，以实现单元之间的阻抗匹配。

在上述实施例的基础上，所述方法还包括：

在天线输入端加入一段阻抗匹配传输线，以达到天线所要求的阻抗和反射特性。

具体的，设计过程举例如下，若需要设计天线工作频率79GHz，天线安装角度θ₀＝10度，覆盖角度范围0～40度，则确定变形余割赋形函数为：

确定辐射单元数目N＝5，辐射单元之间的间距L₀＝2.08mm，根据变形余割赋形函数综合出每个辐射单元的幅度和相位如下：

接着确定介质基板材料和尺寸，确定辐射单元长度L_P＝0.98mm，根据A_i，采用电磁场分析方法确定W_Pi如下：

再确定单元之间的馈线宽度W_F＝0.12mm，根据

确定馈线长度L_Fij如下：

馈线编号	L<sub>F12</sub>	L<sub>F23</sub>	L<sub>F34</sub>	L<sub>F45</sub>
					馈线长度(mm)	2.45	2.06	2.11	1.85

以及根据阻抗匹配调整每个单元的位置偏移量ΔW_i如下：

最后加上输入匹配传输线后，整个天线的结构如图3所示，图3是本实用新型实施例提供的天线结构示意图。

本实施例的综合方向图、仿真方向图和实测方向图如附图4所示，图4是本实用新型实施例提供的目标、综合和电磁场仿真方向图，如图4所示，在0～40度的角度范围内，电磁场分析的方向图接近目标方向图，可以实现该角度范围内目标的回波信号大致相等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种变形余割赋形毫米波天线，其特征在于，包括：

天线由多个辐射单元的天线阵组成，所述辐射单元按照预设的距离等距排布，所述天线的俯仰方向图在目标视场角范围内满足变形余割函数：

其中：G(θ)为发射及接收天线方向图俯仰方向随θ变化的增益值；G₀为发射及接收天线在俯仰角为0度时的增益值；θ₀为雷达安装的下倾角，也是变形余割赋形的起始角；θ₁为雷达需要覆盖的角度范围。

2.根据权利要求1所述的变形余割赋形毫米波天线，其特征在于，所述辐射单元和馈电均由单层介质基片上的金属线路组成。

3.根据权利要求1所述的变形余割赋形毫米波天线，其特征在于，所述辐射单元的辐射幅度受所述辐射单元的宽度控制，所述辐射单元的相位受所述辐射单元之间的馈线长度控制，所述辐射单元之间的馈线为曲线馈线。

4.根据权利要求1所述的变形余割赋形毫米波天线，其特征在于，通过调整所述辐射单元的垂直位置实现阻抗匹配。

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