TW202310493A - 車用雷達陣列天線 - Google Patents

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蔡夢華
李威霆
王信翔
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Abstract

本申請涉及雷達天線技術領域，具體涉及一種車用雷達陣列天線，包括設置有天線收發電路的LCP基板，其上設置多個陣列天線，每一陣列天線包括串接的多個貼片天線，該些貼片天線的最前端貼片天線，其輻射面在饋入線路兩邊開設雙凹形槽孔。本申請使用LCP材質的基板，可確保面對不同環境其材料特性依然穩定，通過串接4個貼片天線增益相較於單一的貼片天線可提高6dB增益，並在天線輻射面之中設計雙凹形槽孔以優化饋入阻抗，提升了天線工作頻寬解決了貼片天線頻寬過窄的問題。

Description

車用雷達陣列天線
本申請涉及雷達天線技術領域，具體涉及一種陣列式貼片天線結合LCP基板形成的車用雷達陣列天線。
現今市面上77GHz車用雷達工作在76GHz~81GHz頻段，IC廠建議設計主要在Rogers RO4835板材進行設計。車用雷達天線架構以陣列貼片天線(array patch antenna)的形式設計，因為陣列貼片天線具有高增益與高指向性的特性，其訊號輻射具有波束成型(beam forming)的特性，配合車用雷達(automotive radar)晶片提供多天線接收與務射端架構，達成判斷偵測物所在的位置需求。晶片商德州儀器(TI)車用77GHz毫米波天線公板設計(AWR1642)，采用該天線公板的車用雷達具有高指向性與波束發射等特性，就該天線公板設計，其包括佈設有天線收發線路的基板與平行配置有多個陣列式貼片天線。其中此天線公板使用的基板，其規格以Rogers RO4835為主。然而汽車會遇到各種嚴苛的環境挑戰，Rogers RO4835基板的吸濕率達0.05%，因此天線公板設計會因RO4835基板材質，面對不同環境其材料特性無法保持一定的穩定性。其次，天線公板設計(AWR1642)的陣列式貼片天線是平行設置，因此訊號接收天線與訊號發送天線之間會產生訊號干擾問題，因此本發明根據LCP(Liquid Crystal Polymer，液晶聚合物)基板在不同溫濕度情況下其高頻時具有良好的材料穩定性，適合用來設計車用雷達天線，進而提出一種車用雷達陣列天線。
針對現有技術的不足，本發明公開了一種車用雷達陣列天線，用於提升天線工作頻寬以解決貼片天線頻寬過窄的問題。
本發明提供的一種車用雷達陣列天線，包括
LCP基板，其上設置有天線收發電路；
複數個陣列天線，設置於該LCP基板的天線收發電路，每一陣列天線包括串接的複數個貼片天線，該等貼片天線的最前端貼片天線，其輻射面在饋入線路兩邊開設為雙凹形槽孔。
其中，其中每一陣列天線的最前端貼片天線的其餘貼片天線中之一個或多個的輻射面的鏡入線路開設雙凹形槽孔，或是該其餘貼片天線的輻射面的鎖入線路不開設雙凹形槽孔。
其中，陣列天線中，最前端貼片天線的輻射面的雙凹形槽孔長度由計算貼片天線諧振頻率的半經驗公式求出。
其中，該陣列天線中，該最前端貼片天線的輻射面的雙凹形槽孔長度為0.28~0.33mm。
其中，最前端貼片天線的輻射面的雙凹形槽孔長度大致為L/3，其中L代表每一貼片天線的輻射面的上下高度。
其中，該LCP基板包括第一接合區和第二接合區，該第一接合區設置為該天線收發電路的天線發射端，該第二接合區設置為該天線收發電路的天線接收端。
其中，控制單元設置於LCP基板，以分別連接天線發射端與天線接收端的陣列天線。
其中，還包括控制單元設置於該LCP基板的正面或反面，分別連接該天線務射端與該天線接收端的該等陣列天線；該控制單元設置於該LCP反面時，通過穿孔和/或接線連接該等陣列天線。
其中，陣列天線於天線發射端和天線接收端的佈設方向大致形成正交。
其中，第一接合區和第二接合區的連接處設有切角，用於降低接地的不連續點。
其中，該第一接合區和該第二接合區的連接處的切角為1.5λ g ，其中λ g 為波長。
其中，陣列天線的主體距離下層接地大約80um~120um。
其中，陣列天線由貼片天線串接組成，並在LCP基板上做穿孔匯入。
其中，組成單個該陣列天線的貼片天線數量為4個。
其中，貼片天線中，第一貼片天線的輻射面開設雙凹形槽孔，第二貼片天線、第三貼片天線或第四貼片天線開設一項、多項或不開設凹形槽孔。
其中，最前端貼片天線的中心阻抗為0ohm~50ohm，最前端貼片天線的邊緣阻抗為298ohm~322ohm。
其中，最前端貼片天線的邊緣阻抗為310ohm。
本發明的有益效果為：
本發明採用LCP的吸濕率為0.03%，低於傳統市場的Rogers RO4835吸濕率0.05%，面對不同環境其材料特性依然穩定。
本發明採用能達到較高的指向性增益串聯式的貼片天線。相較於單一的貼片天線，通過串接多個貼片天線可提高增益，並在最前端天線的輻射面上設計雙凹形槽孔以優化饋入阻抗，提升天線工作頻寬改善了貼片天線頻寬過窄的問題。
1:第一接合區
2:第二接合區
3:切角
4:貼片天線
5:雙凹形槽孔
6:穿孔
7:控制單元
10:LCP基板
[圖1]是TI-AWR1642公板整體天線架構圖；
[圖2]是TI-AWR1642公板單支天線架構圖；
[圖3]是本申請實施例整體天線架構圖；
[圖4]是本申請實施例單個天線貼片架構圖；
[圖5]是本TI-AWR1642公板Return loss圖；
[圖6]是本申請實施例整體天線架構Return loss圖；
[圖7]是本申請實施例不同倒角長度Return loss圖；
[圖8〕是TI-AWR1642公板TX1 Gain圖；
[圖9]是本申請實施例天線架構TX1 Gain圖；
[圖10]是本申請實施例天線尺寸圖；
[圖11]是將控制單元佈置天線示意圖。
為使本申請實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，以下將結合本發明中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
請參照圖1與圖2，習知晶片商德州儀器(TI)車用77GHz毫米波天線公板設計(AWR1642)，車用雷達具有高指向性與波束發射等特性，其單支天線架構則如圖2所示。
如圖1所示的天線公板設計，包括佈設有天線收發線路的基板與平行配置有多個陣列式貼片天線。其中此天線公板使用的基板規格以Rogers RO4835為主。然而汽車使用環境會遇到各種嚴苛的挑戰，Rogers RO4835基板的吸濕率為0.05%，天線公板設計會因RO4835基板材質，面對不同環境無法保持一定的材料穩定性。
另一方面，天線公板設計(AWR1642)的陣列式貼片天線是平行設置，因此訊號接收天線與訊號發送天線之間會產生訊號干擾問題。
請參照圖3和圖4，本發明提出的一種車用雷達陣列天線，包括LCP基板10，多個陣列天線，設置於LCP基板10的天線收發電路，每一陣列天線包括串接的多個貼片天線4，貼片天線4中的最前端貼片天線，其輻射面在饋入線路兩邊開設為雙凹形槽孔5。
在本實施例中，控制單元設置於該LCP基板的正面或反面，分別連接該天線發射端與該天線接收端的該等陣列天線；該控制單元設置於該LCP反面時，通過穿孔和/或接線連接該等陣列天線。
在本實施例中，將上述車用雷達天線設計在LCP基板上，因LCP材料具備有低損耗與低吸濕的良好特性，運用LCP特性設計77GHz車用毫米波天線，如圖3所示，其單支天線架構，如圖4所示。
在本實施例中，該等陣列天線於該天線發射端和該天線接收端的佈設方向大致正交。
在本實施例中，圖4為單支陣列天線，在最前端的貼片天線4內設計雙凹形槽孔5，最前端貼片天線的中心阻抗為0ohm~50ohm，邊緣阻抗為298ohm~322ohm，最前端貼片天線的輻射面的雙凹形槽孔長度為L/3，其中L代表每一貼片天線或最前端貼片天線的輻射面的上下高度，藉由此雙凹形槽孔5設計提升貼片天線阻抗匹配，可在欲工作頻率範圍內達到阻抗匹配優化的結果，以改善貼片天線頻寬較差的現象。
在其他實施例中，最前端貼片天線的邊緣阻抗為310ohm。
在其他實施例中，貼片天線4的最前端貼片天線輻射面之中開設雙凹形槽孔5，並在第二位貼片天線輻射面之中開設雙凹形槽孔5，此雙凹形槽孔5設計可進一步調整貼片天線阻抗匹配，可在欲工作頻率範圍內達到阻抗匹配優化的結果，以改善貼片天線頻寬較差的現象。
在其他實施例中，該陣列天線中，該最前端貼片天線的輻射面的雙凹形槽孔長度為0.28~0.33mm。
在其他實施例中，貼片天線4的最前端貼片天線輻射面之中開設雙凹形槽孔5，並在第二位和第三位貼片天線輻射面之中均開設雙凹形槽孔5，此雙凹形槽孔5設計可用於再進一步調整貼片天線阻抗匹配，可在欲工作頻率範圍內達到阻抗匹配優化的結果，以改善貼片天線頻寬較差的天線特性。
在其他實施例中，貼片天線4的最前端貼片天線輻射面之中開設雙凹形槽孔5，並在其餘貼片天線輻射面之中開設單凹形槽孔，此雙凹形槽孔5設計可用於再進一步調整貼片天線阻抗匹配，可在欲工作頻率範圍內達到阻抗 匹配優化的結果，以改善貼片天線頻寬較差的現象。該些凹形槽孔的長度約束著雙頻貼片的頻率比，其第一諧振頻率可由計算矩形貼片天線諧振頻率的半經驗公式求出，第二諧振頻率可由傳輸線模型求出。
在本實施例中，貼片天線4中心阻抗理想情況下為0ohm，邊緣阻抗為310ohm，可選擇貼片天線4中心阻抗為50ohm，根據實驗進一步的分析得出貼片天線4的雙凹形槽孔5長度約為0.30mm時，原則上保證工作在76~81GHz工作頻段。
在本實施例中，貼片天線是一個餅狀的定向天線，由兩個金屬板(其中一個金屬板比另一個大)疊加組成的，中間有個片狀介電質。
在本實施例中，貼片天線產生半球覆蓋面，從安裝點傳播，傳播範圍在30度至180度之間。
習知TI公板設計天線發射端跟接收端天線采平行方式擺放，本發明修改架構將發射端與接收端采為垂直方式擺放，垂直擺放方式可提高隔離度，並降低傳輸線的長度，可降低傳輸線上的損耗。
在本實施例中，LCP基板設有第一接合區1和第二接合區2，第一接合區設置為陣列天線的天線發射端，第二接合區2設置為陣列天線的天線接收端。陣列天線於天線發射端和天線接收端的佈設方向形成正交。即是指整體線路的佈置上，第一接合區1和第二接合區2會形成垂直設置。
在本實施例中，第一接合區1和第二接合區2的連接處設有長度為1.5λ g 的切角3，其中λ g 為78.5GHz波長，此時切角3可降低接地的不連續點，可提升天線的匹配效果如圖7所示。
如圖7所示，該切角3為1.0λ g 及2.0λ g 時，切角3不能降低接地的不連續點，不能提升天線的匹配效果，據此得知切角3為1.5λ g 時，具有較佳的降低接地的不連續點，提升天線的匹配效果。
圖5為TI-AWR1642公板Return loss，圖6為本發明整體天線架構Return loss，根據模擬回應圖顯示，本申請設計在76~81GHz工作頻段，最大值可優於TI-AWR1642公板達3dB。本發明架構可根據不同控制單元(如積體電路，IC)廠商的設計將單只陣列天線架構放入電路設計中，進而取代廠商建議設計。
圖7為TI-AWR1642公板TX1 Gain，圖8為本發明整體天線架構TX1 Gain，根據模擬回應圖顯示，本發明天線架構增益比公板架構增加1dB，因此提出在LCP基板10上設計車用77GHz毫米波雷達，使用陣列貼片天線並在最前端的貼片天線4挖有一雙凹形槽孔5，與公板相比可有效提升工作頻寬與增加增益。
在本實施例中，使用LCP材料設計的天線主體距離下層接地為100um，此陣列貼片天線應用於mmWave車用陣列雷達，其操作頻率為76GHz到81GHz。
在其他實施例中，使用LCP材料設計的天線主體距離下層接地分別為80um至120um，此陣列貼片天線應用於mmWave車用陣列雷達，其操作頻率為76GHz到81GHz。由實驗得知，使用LCP材料設計的天線主體距離下層接地為80um至120um都為可行設計，但距離100um時操作頻率的效能最為顯著。
在本實施例中，陣列天線的輻射電磁場是組成該天線陣各單元輻射場的總和(向量和)。其由於各單元的位置和饋電電流的振幅和相位均可以獨立調整。
在本實施例中，陣列天線使用4個貼片天線4串接而成，配合在最前端的貼片天線4雙凹型槽孔5，有效改善阻抗匹配提升天線頻寬，且可增加天線輻射增益達6dB。但不以4個貼片天線4為限，在其他實施例中，陣列天線也可由不同數量的貼片串接而成串接而成，如1個、2個、3個、5個、6個、7個、8個、9個、10個....等以此類推，而達到不同增益效果，例如以8個貼片天線4串接時，增益效果可達9dB。雖然串接數量越多增益越高，然而串接的數量受到產品設計外型及空間的限制。且串接數量越多，陣列中各天線的增益效果及阻抗匹配之間的微調越亦複雜。
陣列天線的尺寸如表1所示，天線尺寸示意圖如圖10所示。
Figure 110130303-A0101-12-0009-2
控制單元(如前述的1C)設置於LCP基板上，以分別連接天線發射端與天線接收端的陣列天線。在本實施例中，如圖11所示，可將控制單元7(如前述的IC)從置放LCP基板10正面改為置放LCP基板10背面，透過穿孔6(via)(或接線)連接LCP基板10正面的天線後，與陣列天線之間進行訊號收發。
一般PCB基板在高頻77GHz的傳輸損失過大，目前市面上77GHzPCB基板使用Rogers RO4835為主，但汽車會遇到各種嚴苛的環境挑戰，而本發明LCP的吸濕率為0.03%，低於Rogers RO4835的0.05%，可確保面對不同環境其材料特性依然穩定。
綜上，本發明所提出在LCP基板上設計77GHz車用雷達陣列天線，與習知德州儀器(TI)AWR1642公板設計比較，證明在天線特性上有更大的-10dB頻寬，頻寬比可從3.8%提高到6.3%，提升了天線阻抗匹配與工作頻寬。
以上實施例僅用以說明本申請的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本申請進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。而這些修改或者替換並不使相應技術方案的本質脫離本申請各實施例技術方案的精神和範圍。
1:第一接合區
2:第二接合區
3:切角
10:LCP基板

Claims (14)

  1. 一種車用雷達陣列天線，包括：
    一LCP基板，其上設置有天線收發電路；以及
    複數個陣列天線，設置於該LCP基板的天線收發電路，每一陣列天線包括串接的複數個貼片天線，該等貼片天線的最前端貼片天線，其輻射面在饋入線路兩邊各開設至少一凹形槽孔。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的車用雷達陣列天線，其中每一陣列天線的最前端貼片天線的輻射面的饋入線路開設雙凹形槽孔，其餘貼片天線中之一個或多個的輻射面的饋入線路開設雙凹形槽孔，或是該其餘貼片天線的輻射面的饋入線路不開設雙凹形槽孔。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的車用雷達陣列天線，其中該陣列天線中，該最前端貼片天線的輻射面的雙凹形槽孔長度為0.28~0.33mm。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的車用雷達陣列天線，其中該最前端貼片天線的輻射面的雙凹形槽孔長度為L/3其中L為每一該等貼片天線的輻射面的上下高度。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的車用雷達陣列天線，其中該LCP基板包括第一接合區和第二接合區，該第一接合區設置為該天線收發電路的天線發射端，該第二接合區設置為該天線收發電路的天線接收端。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的車用雷達陣列天線，其中還包括控制單元設置於該LCP基板的正面或反面，分別連接該天線發射端與該天線接收端的該等陣列天線；該控制單元設置於該LCP反面時，通過穿孔和/或接線連接該等陣列天線。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的車用雷達陣列天線，其中該等陣列天線於該天線發射端和該天線接收端的佈設方向大致正交。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的車用雷達陣列天線，其中該第一接合區和該第二接合區的連接處設有切角，用於降低接地的不連續點。
  9. 如申請專利範圍第3項所述的車用雷達陣列天線，其中該第一接合區和該第二接合區的連接處的切角為1.5λ g ，其中λ g 為波長。
  10. 如申請專利範圍第3項所述的車用雷達陣列天線，其中該陣列天線的主體距離下層接地為80um~120um。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的車用雷達陣列天線，其中該陣列天線由貼片天線串接組成，並在LCP基板上穿孔匯入。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的車用雷達陣列天線，其中組成單個該陣列天線的貼片天線數量為2至10中其一。
  13. 如申請專利範圍第11或12項所述的車用雷達陣列天線，其中該最前端貼片天線的中心阻抗為0-50ohm。
  14. 如申請專利範圍第11或12項所述的車用雷達陣列天線，其中該最前端貼片天線的邊緣阻抗為298ohm~322ohm。
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