CN113725601A - 一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，由三层介质材料和四层金属构成，金属层包括辐射层，天线反射层，带状线馈电层和底部地板层。辐射层刻蚀有由四个及以上组合天线构成的阵列，天线由网格单元与贴片单元两种形式的辐射单元构成。各天线关于阵列中心线对称，每个天线由两个以上等距离排列的相同的网格辐射单元组成，网格单元的非辐射边由弯曲弧线代替了传统的直线，辐射边由渐变式微带线代替了传统的同宽度微带线。在网格单元中间的空白区域添加了贴片单元并与单元间连接段组成了串联贴片天线，有效利用了天线面积。通过对阵列进行波束赋形设计，使方向图具有多个“平肩”状特征，以“平肩”划分的不同视场满足雷达对不同距离范围目标的探测需求。本发明专利结构简单，仅需一条发射链路即可实现雷达多种探测距离功能的整合，降低了前端信号的处理难度，适合用于毫米波段汽车雷达。

Description

一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线

技术领域

本发明专利涉及无线通信设备，特别涉及车载雷达天线，具体是一种采用平面工艺设计的用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线。

背景技术

随着智慧汽车与无人驾驶技术的发展，汽车雷达正越来越成为汽车中不可或缺的重要部分。相比超声波、红外线、激光体制的雷达，毫米波汽车雷达具有带宽大、分辨率高、体积小、成本低，可以在任何恶劣天气环境下工作的特点。目前毫米波汽车雷达中，为了实现不同范围目标检测预警，一般需要不止一架发射阵列天线。例如，为了探测远距离的大目标，阵列规模需要足够大，实现高增益窄波束；为了探测近距离的小目标，往往采用单个线阵实现低增益宽波束。多架发射阵列通过前端射频芯片分时激活工作状态，一方面对芯片链路数目提出了需求，造成了收发链路资源的冗余。另一方面也增大了前端信号处理的难度。

发明内容

本发明专利的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，阵列由小型化组合天线组成，包含网格单元与贴片单元两种形式的辐射单元。其中，通过将非辐射边弯曲为弧线形，实现了网格天线尺寸缩减，满足一般阵列设计阵间距为0.5λ₀(λ₀为空气波长)的要求，避免了传统网格天线因辐射边间距过大导致阵列设计时出现栅瓣的问题。在网格单元中间的空白区域添加了贴片单元并与网格单元间连接段组成了串联贴片天线，有效利用了天线面积，两种辐射单元产生两种频率不同的谐振模辐射实现带宽拓展。通过波束赋形设计对阵列方向图进行了零点填充，实现了雷达在±60°范围内的无盲点探测，方向图具有“平肩”状特征，由此划分出的多个视场可以满足雷达对不同范围、不同大小目标的检测需求。

本发明专利提供的天线，其特征是，由三层介质材料和四层金属构成。金属层包括辐射层，天线反射层，带状线馈电层和底部地板层。辐射层刻蚀有由四个及以上组合天线构成的阵列，各组合天线关于阵列中心线对称。根据阵元数目与所需的多视场数目，通过对阵列波束赋形设计，可以得到具体的阵间距、馈电幅度与相位分布使方向图具有“平肩”状特征。

本发明专利提供的天线，其特征是，组合天线由网格单元与贴片单元两种形式的辐射单元构成，包括两个以上等距离排列的相同的网格辐射单元，通过将网格单元的非辐射边由传统的直线替换成弯曲弧线，辐射边间距减小至0.3λ₀(λ₀为空气波长)以下，实现了天线尺寸缩减，满足一般阵列设计中阵间距为0.5λ₀的要求，避免了传统网格天线因辐射边间距过大导致阵列设计时出现栅瓣的问题。辐射边由渐变微带线代替了传统的同宽度微带线，其中最小线宽与非辐射边线宽一致，保证了辐射边与非辐射边连接处微带线连续性，通过调整最大线宽可以用来改善匹配与辐射性能。单元间连接段同样具有辐射作用，因此长宽与辐射边一致。在网格单元中间的空白区域添加了贴片单元，并通过微带线与网格非辐射边相连，与单元间连接段组成了串联贴片天线，有效利用了天线面积。由于网格单元中间的区域较小，贴片天线产生的谐振模式频率略高于网格天线，因此两种形式的辐射单元形成了组合天线效果，其中贴片单元产生高频谐振模式辐射，网格单元产生低频谐振模式辐射，产生的两组谐振模式辐射拓宽了天线工作带宽。天线末端串联的开槽贴片单元作为匹配负载改善匹配性能。带状线馈电层采用过孔对顶层辐射层馈电，馈电位置关于线阵中心左右对称实现差分馈电。过孔穿过天线反射层上的通孔与带状线馈电层相连，过孔与带状线馈电层连接处附近，设有利用接地过孔构成的等效电壁；带状线馈电层包含多级T形功分移相网络，每级功分移相网络依靠输出端口线宽实现幅度分布，依靠附加长度实现相位分布。通过多级功分移相网络保证阵元幅度与相位按赋形计算值分布，从而实现波束赋形。

本发明专利提供的天线，其特征是，差分馈电保证了网格辐射边电流方向相同，非辐射边电流方向相反，过孔位置位于网格非辐射边与单元间连接段的交点并关于组合天线中心对称。

本发明专利提供的天线，其特征是，过孔与带状线馈电层连接处附近，设有利用接地孔构成的等效电壁，用来减小能量在换层传输时的损耗，调节接地孔尺寸和接地过孔间距可以改善换层过渡结构匹配程度。

本发明专利提供的天线，其特征是，每级T形功分结构，包括四分之一波长线段和切角，用来改善端口匹配情况。

本发明专利提供的天线，其特征是，T形功分结构输入带状线与芯片输出匹配。其末端可以与芯片引脚引出的馈线通过换层过渡结构相连。

本发明专利提供的天线，其特征是，整体结构可以采用低温共烧陶瓷工艺或多层印刷电路板工艺实现。

和现有技术相比，本发明专利的优点是：

1.通过波束赋形设计，阵列方向图具有多个“平肩”状特征，在±60°

范围内无零点存在，波束覆盖无盲区。由“平肩”划分的多个视场可以满足雷达同时对不同范围内目标进行探测的需求。原本需要多个不同规模阵列分时工作才能实现的功能，通过单链路馈电的波束赋形阵列就能做到，大大降低了天线对收发芯片链路数目的需求和信号处理的难度

2.小型化后的网格天线辐射边相距缩短至0.3λ₀(λ₀为空气波长)以下，满足一般阵列设计时0.5λ₀阵元间距要求，避免了传统网格线阵因为H面尺寸过大导致阵列设计时出现的栅瓣问题。相比同阵元数的传统网格天线，波束宽度更宽，更适合用于雷达进行大范围目标检测。

3.在网格单元中间的空白区域添加贴片单元组成串联贴片天线，利用两种单元产生不同频率的谐振模辐射实现带宽拓展，保证了宽频带范围内雷达性能的稳定性，有效利用了天线面积。

附图说明

图1是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线的结构侧面剖视图。

图2是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线的辐射层俯视图。

图3是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线的换层过渡结构侧视图。

图4是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线的馈电层俯视图。

图5是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线的方向图仿真结果图。

图6是本发明专利一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线的阻抗带宽仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明专利作进一步详细的描述，但本发明专利所要求保护的范围并不局限于实施例所涉及的范围。

本发明专利提供的天线结构由图1所述，整体结构包括三层介质材料和四层金属构成。金属层包括辐射层、天线反射层、带状线馈电层和底部地板层。辐射层俯视图由图2所述，刻蚀有由四个及以上组合天线构成的阵列，阵间距d₁、d₂、d₃、d₄和馈电幅度、馈电相位关于阵列中心线对称，根据阵元数目与所需的多视场数目，通过对阵列波束赋形设计，可以得到具体的阵间距、馈电幅度与相位分布使方向图具有“平肩”状特征。组合天线由网格单元与贴片单元两种形式的辐射单元构成，包括两个以上等距离排列的相同的网格辐射单元，通过将网格单元的非辐射边(11)由传统的直线替换成弯曲弧线，辐射边间距减小至0.3λ₀(λ₀为空气波长)以下，实现了天线尺寸缩减，满足一般阵列设计阵间距为0.5λ₀的要求，避免了传统网格天线因辐射边间距过大导致阵列设计时出现栅瓣的问题。辐射边由渐变式微带线代替了传统的同宽度微带线，目的是减少辐射边与非辐射边连接处微带线不连续性带来的失配。单元间连接段与辐射边尺寸一致，这样做的好处是利于加工。在网格单元中间的空白区域添加了贴片单元，并通过微带线与网格非辐射边相连，与单元间连接段组成了串联贴片天线，达到提高天线面积利用率的目的。由于两种形式辐射单元的辐射原理都是缝隙辐射，且网格中间区域较小，贴片单元工作频率将略高于网格单元，因此两种形式的辐射单元形成了组合天线效果。通过调整单元工作频率，产生的两组谐振模式辐射拓宽了天线工作带宽。本实施例中，网格单元产生的低频谐振模式辐射频率为78GHz，贴片单元产生的高频谐振模式辐射频率为83GHz。

天线采用过孔馈电，馈电点位置关于线阵中心左右对称，以满足方向图对称性，一般选择在网格非辐射边与单元间连接段的交点。过孔穿过天线反射层上的通孔与带状线馈电层相连，其中过孔与通孔组成介质材料填充的50Ω同轴线。带状线馈线层由图3所述，过孔与馈线层连接处附近，有用接地孔构成的等效电壁，通过调整接地孔尺寸和接地过孔间距可以减小能量在换层传输时的损耗和失配现象。功分移相馈电网络包含多级T形功分移相结构，如图4所述，每级功分移相结构依靠输出端口线宽实现幅度分布，依靠附加长度实现相位分布。通过多级功分结构保证阵元幅度与相位按赋形计算值分布，从而实现波束赋形。采用最短功分路径降低了功分移相馈电网络的寄生损耗，改善了匹配特性，保证了波束赋形效果。功分移相馈电网络的输入部分为50Ω带状线，前端芯片引出的信号线可以通过换层过渡结构相连，因此与一般车载雷达天线采用的电路板技术不同，天线与芯片经过设计和一体封装后具有拓展为封装天线的可能。

应用本天线的一个实例：为不失一般性，此实例的所有尺寸均对天线中心频率79GHz的介质波长λ_g归一化为电长度，计算阵间距与各阵元幅度相位分布不包括在实施例中。如图2，阵列共由八个组合天线组成并关于阵列中心线10对称，d₁、d₂、d₃和d₄分别为1.61λ_g、1.1λ_g、1.03λ_g和λ_g。每个组合天线由六个尺寸一样的网格单元组成，其中网格非辐射边11由四段半圆形弧线构成，弧线阻抗为75Ω，半径为0.08λ_g，拉伸总长度为λ_g，辐射边间距由1.16λ_g减少至0.68λ_g(0.28λ₀)以下；辐射边12最大宽度对应的特性阻抗为55.4Ω，长度为0.64λ_g，相邻两单元间连接段尺寸与辐射边长宽一致。网格中间贴片单元14长度与宽度分别为0.26λ_g和0.16λ_g，末端加载的吸收负载贴片15长度与宽度分别为0.32λ_g和0.21λ_g。如图3，过孔与线阵中心距离为2.9λ_g，过孔6与天线反射地层通孔7两者形成介质材料填充的50Ω同轴线。如图4，接地孔8以过孔6位置为圆心，半径为0.21λ_g组成等效电壁。功分移相馈电网络共包含四级功分移相结构，所有功分移相结构均为T型等功分器，通过附加长度实现输出端口相位差，其中，最后一级两个功分器20电长度差由内至外分别为0.08λ_g、1.35λ_g，倒数第二级功分器19电长度差为0.135λ_g。第一级功分器17电长度差为0.5λ_g，作用是将输入端口能量分为等幅反向的两部分，实现差分馈电。此时以最中间两个阵元为零相位点，从外至内各阵元幅度相等，相位分布为75°、25°、10°、0°。整体结构采用LTCC工艺实现，介质采用的是FerroA6M-E陶瓷材料(ε_r＝5.7±0.2，tanδ＝0.002)，介质层厚为96μm，金属层层厚为8μm。

图5显示了本天线方位面(沿网格非辐射边方向并与结构垂直的面)和俯仰面(沿网格辐射边方向并与结构垂直的面)方向图仿真结果。结果显示，赋形设计后阵列天线方位面方向图有双“平肩”特征，从而划分出三种视场，分别为±8°、±21°和±44°范围，其中最大增益为19dB，此时视场范围最窄，可以实现远距离大目标探测；最宽的视场范围为±44°，增益大于5dB，可以实现近距离小目标探测。俯仰面副瓣水平低于-14dB，方向图对称性较好，方位面±60°范围内均无零点，雷达可以实现无盲区探测。

图6显示了本发明专利设计的天线阻抗带宽仿真结果。结果显示天线阻抗带宽可以完全覆盖目前制定的毫米波76–81GHz车载雷达频段。

如上所述便可较好的实现本发明专利。本发明专利并不仅限于上述给出的实施方案，本领域技术人员在本发明的构思下，可做出不同变形，例如采用不同形状、不同尺寸的辐射体替代网格辐射边与贴片，从而获得宽阻抗频带、低副瓣等功能天线；天线馈电结构可以是微带线、基片集成波导、共面波导等。

Claims (9)

1.一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，其特征是，由三层介质材料(1)和四层金属构成。金属层包括辐射层(2)、天线反射层(3)、带状线馈电层(4)和底部地板层(5)。

2.辐射层(2)刻蚀有由四个及以上组合天线(9)构成的阵列，组合天线关于阵列中心线(10)对称。根据阵元数目与所需的多视场数目，通过对阵列波束赋形设计，可以得到具体的阵间距、馈电幅度与相位分布使方向图具有“平肩”状特征。

3.根据权力要求1所述一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，其特征是，组合天线(9)由网格单元与贴片单元两种形式的辐射单元构成，包括两个以上等距离排列的相同的网格辐射单元，通过将网格单元的非辐射边(11)由传统的直线替换成弯曲弧线，辐射边间距减小至0.3λ0(λ0为空气波长)以下，实现了天线尺寸缩减，满足一般阵列设计阵间距为0.5λ0的要求，避免了传统网格天线因辐射边间距过大导致阵列设计时出现栅瓣的问题。辐射边(12)由渐变微带线代替了传统的同宽度微带线，其中最小线宽与非辐射边线宽一致，保证了辐射边与非辐射边连接处微带线连续性，通过调整最大线宽可以用来改善匹配与辐射性能。单元间连接段(13)同样具有辐射作用，因此长宽与辐射边一致。在网格单元中间的空白区域添加了贴片单元(14)，并通过微带线与网格非辐射边相连，与单元间连接段组成了串联贴片天线，有效利用了天线面积。由于网格单元中间的区域较小，贴片天线产生的谐振模式频率略高于网格天线，因此两种形式的辐射单元形成了组合天线效果，其中贴片单元产生高频谐振模式辐射，网格单元产生低频谐振模式辐射，产生的两组谐振模式辐射拓宽了天线工作带宽。天线末端串联的开槽贴片单元(15)作为匹配负载改善匹配性能。

4.根据权力要求2所述一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，其特征是，带状线馈电层(4)采用过孔(6)对顶层辐射层(2)馈电，馈电位置关于线阵中心(16)左右对称实现差分馈电。过孔(6)穿过天线反射层上的通孔(7)与带状线馈电层(4)相连，过孔(6)与带状线馈电层(4)连接处附近，设有利用接地过孔构成的等效电壁(8)；带状线馈电层包含多级T形功分移相结构(17)、(18)、(19)、(20)，每级功分移相结构依靠输出端口线宽实现幅度分布，依靠附加长度实现相位分布。通过多级功分移相结构保证阵元幅度与相位按波束赋形计算值分布，从而实现波束赋形。

5.根据权力要求3所述一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，其特征是，差分馈电保证了网格辐射边电流方向相同，非辐射边电流方向相反，过孔(6)位置位于网格非辐射边与单元间连接段的交点并关于组合天线中心(16)对称。

6.根据权力要求4所述一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，其特征是，过孔(6)与带状线馈电层(4)连接处附近，设有利用接地孔构成的等效电壁(8)用来减小能量在换层传输时的损耗，调节接地孔尺寸和接地过孔间距可以改善换层过渡结构匹配程度。

7.根据权力要求3所述一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，其特征是，每级T形功分结构，包括四分之一波长线段(21)和切角(22)，用来改善端口匹配情况。

8.根据权力要求6所述一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，其特征是，T形功分结构输入带状线(23)与芯片输出匹配。其末端可以与芯片引脚引出的馈线通过换层过渡结构相连。

9.根据权力要求1所述一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线，其特征是，整体结构可以采用低温共烧陶瓷工艺或多层印刷电路板工艺实现。

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