CN217740772U - 毫米波雷达微带面阵天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种毫米波雷达微带面阵天线，属于天线技术领域，它包括介质基板、天线阵列和接地金属板，所述天线阵列设置于介质基板的正板面上，所述接地金属板设置于介质基板的背板面上，所述天线阵列包括用于将输入信号以等幅度和等相位的形式多路输出的T型功分网络、多个用于分别对从T型功分网络的每一路输出的信号进行阻抗匹配的阻抗匹配模块以及多根用于分别对从每个阻抗匹配模块输出的信号进行接收的线阵天线。本实用新型通过T型功分网络将输入信号以等幅度和等相位的形式输出，能够在磁场面方向实现窄波束，能量更加集中，从而能够提高天线增益，进而增加探测距离。

Description

毫米波雷达微带面阵天线

技术领域

本实用新型涉及一种毫米波雷达微带面阵天线，属于天线技术领域。

背景技术

毫米波雷达目前主要应用于智能驾驶、无人机、安防、智能交通、工业以及军用领域，并且发挥着非常重要的作用。而作为毫米波雷达系统远距离探测是必不可少的组成部分，其中76GHz-77GHz频段毫米波雷达在探测距离，产品体积都有较大优势，这是因为该频段下相对较小体积的天线就能实现窄波束和高增益。基于以上原因该频段毫米波雷达比较适用于远距离目标探测。

毫米波雷达系统通常对天线的增益、副瓣电平和特定波束形状等有特定的需求，单路天线的增益低且波束辐射范围宽，因而难以满足很多远距离探测雷达系统的要求。根据波的传播理论，频率越高，波长越短分辨越高，穿透能力越强，传输距离越远，但同时传播过程损耗也越大。一般毫米波雷达系统通过加大输出功率调整和微带阵列天线增加增益来解决，但目前主流毫米波雷达芯片是基于片上系统，集成度高，芯片厂商在设计时就考虑到稳定性问题，不可能集成大功率的功放在芯片里，所以只能优化设计微带阵列天线来解决高增益指标。

目前，在远距离毫米波雷达天线设计中，主要采用的都是线阵列天线。现有中国专利号为201710794061.3，专利名称为一种基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线的专利，该阵列天线包括介质基板以及设置在介质基板表面的多根天线，每根天线由多个天线阵元构成，每根天线的各天线阵元排列成一直线并通过馈线互相连接，各根天线之间设置为互相平行，多根天线包括多根发射天线和多根接收天线，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，每根天线的多个天线阵元的宽度是渐变的。其有益效果是具有高稳定性、小型化和低成本的优点，同时能够达到高精度、高响应速度和高分辨率。但其还存在以下缺点：该阵列天线在电场面具有很高的窄波束能量，但在磁场面有很宽的波束范围，使得能量不集中，增益相对较低，限制其探测距离等问题。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种毫米波雷达微带面阵天线，解决了现有技术中存在的天线在磁场面有很宽的波束范围，使得能量不集中，增益相对较低，限制其探测距离的问题，提供了一种能在磁场面方向实现窄波束，使得能量更加集中，能够提高天线增益和增加探测距离的毫米波雷达微带面阵天线。

本实用新型的上述技术目的主要是通过以下技术方案解决的：一种毫米波雷达微带面阵天线，包括介质基板、天线阵列和接地金属板，所述天线阵列设置于介质基板的正板面上，所述接地金属板设置于介质基板的背板面上，所述天线阵列包括用于将输入信号以等幅度和等相位的形式多路输出的T型功分网络、多个用于分别对从T型功分网络的每一路输出的信号进行阻抗匹配的阻抗匹配模块以及多根用于分别对从每个阻抗匹配模块输出的信号进行接收的线阵天线，所述T型功分网络的多路输出端分别与对应的阻抗匹配模块的输入端电连接，多个所述阻抗匹配模块的输出端分别与对应的线阵天线的输入端电连接。

本实用新型使用时，T型功分网络接收到输入信号，并将接收到的输入信号以等幅度和等相位的形式从多路输出端分别输出至每个阻抗匹配模块，每个阻抗匹配模块接收输出信号并对其进行阻抗匹配，然后再将输出信号分别输送至每根线阵天线，多路信号形成波束，最终发射信号，本实用新型通过T型功分网络将输入信号以等幅度和等相位的形式输出，电路易于实现，容易拓扑延伸，使得本实用新型中的微带面阵天线能够在磁场面方向实现窄波束，能量更加集中，从而能够提高天线增益，进而增加探测距离。

作为优选，所述T型功分网络的每一路输出端均通过一个阻抗匹配模块对应连接一根线阵天线。

通过将T型功分网络的每一路输出端均通过一个阻抗匹配模块对应连接一根线阵天线，使得每根线阵天线的输入端相互独立，以使每根线阵天线均能够接收从T型功分网络以等幅度和等相位形式输出的信号，以便提高天线增益，从而增加探测距离。

作为优选，所述T型功分网络包括N1路输出端，所述匹配模块的数量为N2个，所述线阵天线的数量为N3根，所述N1 、N2 和N3的数值相等且为2的n次方，n的取值范围为1至4。

通过将T型功分网络的输出端、匹配模块和线阵天线的数量设置为相等，并且数量为2的1至4次方，使得T型功分网络能够以对称的T型结构进行拓扑，确保T型功分网络的每路均能够输出相同的相位和幅度，从而确保磁场面波束方向不偏离，能量更加集中，以便在磁场面方向实现窄波束，进一步增加天线增益。

作为优选，所述阻抗匹配模块为四分之一波长阻抗变换器。

通过将阻抗匹配模块设置为四分之一波长阻抗变换器，以便对从T型功分网络每一路输出的信号进行阻抗匹配。

作为优选，多根所述线阵天线等间距相互平行设置且长度一致。

作为优选，相邻两根所述线阵天线之间的间距为空气波长长度的二分之一。

通过将多根线阵天线等间距相互平行设置且长度一致，两根线阵天线之间的间距设置为空气波长长度的二分之一，组成了面阵列天线，并且能够形成等距离串馈网络，同时保证等相条件。

作为优选，每根所述线阵天线均包括若干个阵元和微带线，若干个所述阵元通过微带线依次串联形成直线阵列。

作为优选，每根所述线阵天线均包括M个阵元4，M的取值范围为2至16。

作为优选，若干个所述阵元均为矩形结构的金属贴片。

通过在每根线阵天线内均设有若干个阵元和微带线，若干个阵元通过微带线依次串联形成直线阵列，若干个阵元均为矩形结构的金属贴片，通过微带线和阵元构成微带天线，并且微带天线是在带有导体接地金属板的介质基板上贴加导体薄片而形成的天线，具有体积小、重量轻和易于集成等特点，还可以通过先进的印刷电路板工艺进行大规模生产，成本低廉。

作为优选，每根所述线阵天线中的阵元的宽度均从中间往两边逐渐减小。

通过将每根线阵天线中阵元的宽度均设置为从中间往两边逐渐减小，以便控制电流振幅比，起到削减副瓣幅度的作用，提高信噪比，降低干扰信号输入，并确保电场面波束方向不偏离。

本实用新型通过T型功分网络将输入信号以等幅度和等相位的形式输出，电路易于实现，容易拓扑延伸，能够在磁场面方向实现窄波束，能量更加集中，从而能够提高天线增益，进而增加探测距离；本实用新型整体结构简单，体积小，增益高，不需要雷达芯片额外功放就能实现中远距离探测，能够节约硬件成本。

附图说明

图1是本实用新型中毫米波雷达微带面阵天线的一种结构示意图；

图2是本实用新型中毫米波雷达微带面阵天线的一种辐射方向图；

图3是本实用新型中毫米波雷达微带面阵天线应用于毫米波雷达系统的一种电路板结构示意图；

图4是基于本实用新型中毫米波雷达微带面阵天线的汽车ADAS雷达系统的一种结构示意图。

附图中标记分述如下：1、T型功分网络；2、阻抗匹配模块；3、线阵天线；4、阵元；5、微带线；6、射频芯片；7、第一发射天线；8、第二发射天线；9、第三发射天线；10、四路接收天线；11、前向远程毫米波雷达；12、后向远程毫米波雷达。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

如图1所示，本实用新型所述的一种毫米波雷达微带面阵天线，包括介质基板、天线阵列和接地金属板，其中介质基板的介电常数为3.0，厚度为0.127mm，天线阵列设置于介质基板的正板面上，接地金属板设置于介质基板的背板面上，天线阵列包括用于将输入信号以等幅度和等相位的形式多路输出的T型功分网络1、多个用于分别对从T型功分网络1的每一路输出的信号进行阻抗匹配的阻抗匹配模块2以及多根用于分别对从每个阻抗匹配模块2输出的信号进行接收的线阵天线3，T型功分网络1的每一路输出端均通过一个阻抗匹配模块2对应连接一根线阵天线3，T型功分网络1的多路输出端分别与对应的阻抗匹配模块2的输入端电连接，多个阻抗匹配模块2的输出端分别与对应的线阵天线3的输入端电连接，T型功分网络1包括4路输出端，匹配模块2的数量为4个，线阵天线3的数量为4根，阻抗匹配模块2为四分之一波长阻抗变换器。

如图1所示，四根线阵天线3等间距相互平行设置且长度一致，相邻两根线阵天线3之间的间距为空气波长长度的二分之一，每根线阵天线3均包括16个阵元4和微带线5，16个阵元4通过微带线5依次串联形成直线阵列，每根线阵天线3中的阵元4的宽度均从中间往两边逐渐减小，16个阵元4均为矩形结构的金属贴片，其中阵元4的材质为铜，厚度为40.64微米。

对本实用新型所述的面阵天线用HFSS进行关于增益的仿真测试，在76GHz-77GHz频段内，得到的仿真结果如图2所示，横轴表示角度，纵轴表示增益，图中显示天线的最大增益为22dBi。因此，本实用新型所述的面阵天线的增益值优于线阵列天线的增益值，本实用新型所述的面阵天线是在线阵列电场面压缩波束宽度的增益基础上，再压缩磁场面波束宽度，使其能量集中在主射方向辐射，增益越大，探测距离越远，故本实用新型能够实现更远距离的探测。

如图3所示，为基于本实施例的毫米波雷达系统的电路板结构示意图，图3中包括射频芯片6、四路接收天线10、第一发射天线7、第二发射天线8、第三发射天线9，其中，四路接收天线10、第一发射天线7、第二发射天线8、第三发射天线9均与射频芯片6电连接，另外，第一发射天线7、第二发射天线8和第三发射天线9水平放置，对应的方向图也水平对称。同时，发射面阵天线中的每列线阵天线和接收天线线阵完全一致。

另外，本实施例还能够应用于汽车ADAS雷达系统，如图4所示：

汽车ADAS雷达系统包括前向远程毫米波雷达11和后向远程毫米波雷达12；

其中前向远程毫米波雷达11安装在汽车的头部正前端，后向远程毫米波雷达12安装在汽车的尾部正后端，每个远程毫米波雷达均包括收发天线，即图3所示电路结构，其中前向远程毫米波雷达11主要作用是探测前车速度并主动控制本车行驶速度，最终将车辆与前车保持在安全距离，天线方向指向正前方且磁场面方向平行于地面；后向远程毫米波雷12主要作用是探测后方车辆，防撞预警，天线方向指向安装方法类似前向远程毫米波雷达，前向和后向远程毫米波雷达可探测200米范围的目标，提高防碰撞预警。探测过程中，图3中的第一发射天线7、第二发射天线8和第三发射天线9分时发射信号。

以图1为例，本实施例的工作原理如下：

T型功分网络1接收到输入信号，并将接收到的输入信号以等幅度和等相位的形式从多路输出端分别输出至每个阻抗匹配模块2，每个阻抗匹配模块2接收输出信号并对其进行阻抗匹配，然后再将输出信号分别输送至每根线阵天线3，多路信号形成波束，最终发射信号。

本实用新型通过T型功分网络将输入信号以等幅度和等相位的形式输出，电路易于实现，容易拓扑延伸，能够在磁场面方向实现窄波束，能量更加集中，从而能够提高天线增益，进而增加探测距离；本实用新型整体结构简单，体积小，增益高，不需要雷达芯片额外功放就能实现中远距离探测，能够节约硬件成本。

Claims (8)

1.一种毫米波雷达微带面阵天线，其特征在于：包括介质基板、天线阵列和接地金属板，所述天线阵列设置于介质基板的正板面上，所述接地金属板设置于介质基板的背板面上，所述天线阵列包括用于将输入信号以等幅度和等相位的形式多路输出的T型功分网络(1)、多个用于分别对从T型功分网络(1)的每一路输出的信号进行阻抗匹配的阻抗匹配模块(2)以及多根用于分别对从每个阻抗匹配模块(2)输出的信号进行接收的线阵天线(3)，所述T型功分网络(1)的多路输出端分别与对应的阻抗匹配模块(2)的输入端电连接，多个所述阻抗匹配模块(2)的输出端分别与对应的线阵天线(3)的输入端电连接；

多根所述线阵天线(3)等间距相互平行设置且长度一致；

相邻两根所述线阵天线(3)之间的间距为空气波长长度的二分之一。

2.根据权利要求1所述的毫米波雷达微带面阵天线，其特征在于：所述T型功分网络(1)的每一路输出端均通过一个阻抗匹配模块(2)对应连接一根线阵天线(3)。

3.根据权利要求2所述的毫米波雷达微带面阵天线，其特征在于：所述T型功分网络(1)包括N₁路输出端，所述匹配模块(2)的数量为N₂个，所述线阵天线(3)的数量为N₃根，所述N₁、N₂和N₃的数值相等且为2的n次方，n的取值范围为1至4。

4.根据权利要求1或2或3所述的毫米波雷达微带面阵天线，其特征在于：所述阻抗匹配模块(2)为四分之一波长阻抗变换器。

5.根据权利要求1或2或3所述的毫米波雷达微带面阵天线，其特征在于：每根所述线阵天线(3)均包括若干个阵元(4)和微带线(5)，若干个所述阵元(4)通过微带线(5)依次串联形成直线阵列。

6.根据权利要求5所述的毫米波雷达微带面阵天线，其特征在于：每根所述线阵天线(3)中的阵元(4)的宽度均从中间往两边逐渐减小。

7.根据权利要求5所述的毫米波雷达微带面阵天线，其特征在于：每根所述线阵天线(3)均包括M个阵元(4)，M的取值范围为2至16。

8.根据权利要求5所述的毫米波雷达微带面阵天线，其特征在于：若干个所述阵元(4)均为矩形结构的金属贴片。

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