CN114188715A - 一种微带天线及毫米波雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，公开了一种微带天线及毫米波雷达。微带天线包括介质基板及发射天线阵列，发射天线阵列包括多个发射阵元及馈电网络，每个发射阵元及馈电网络均布设于介质基板上，馈电网络与每个发射阵元电连接，馈电网络可馈入第一电流信号和/或第二电流信号，以使每个发射阵元输出相应极化方向的射频信号，其中，第一电流信号与第二电流信号呈正交关系。本实施例通过灵活地向每个发射阵元馈入第一电流信号和/或与第一电流信号和呈正交关系的第二电流信号，从而灵活地转换极化方式，能够满足多种不同应用场景。

Description

一种微带天线及毫米波雷达

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种微带天线及毫米波雷达。

背景技术

相较于传统天线，毫米波雷达天线更容易在更小的天线体积下实现更高的增益和更窄的波束宽度，从而具有更高的探测精度和更远的探测距离，因此，毫米波雷达天线被广泛应用于交通、通信等领域。

在相关技术中，一个雷达天线阵列配置有一个馈电输入端口，该馈电输入端口用于输入电流信号，雷达天线阵列根据输入的电流信号，在空间中辐射出具有方向性的波束。由于一个雷达天线阵列只输入一路电流信号，因而只能在空间中辐射出具有固定方向性的波束，亦即，只能实现单一极化，例如垂直极化或水平极化，因此，相关技术的雷达天线阵列应用场景比较单一，无法满足日益复杂的电磁环境的应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种微带天线及毫米波雷达，能够在一个雷达天线阵列上实现多种极化，满足多种不同的应用场景。

本发明实施例为改善相应技术问题提供了如下技术方案：

在第一方面，本发明实施例提供了一种微带天线，包括：

介质基板；

发射天线阵列，包括多个发射阵元及馈电网络，每个所述发射阵元及所述馈电网络均布设于所述介质基板上，所述馈电网络与每个所述发射阵元电连接，所述馈电网络可馈入第一电流信号和/或第二电流信号，以使每个所述发射阵元输出相应极化方向的射频信号，其中，所述第一电流信号与所述第二电流信号呈正交关系。

可选地，所述第一电流信号相对所述发射阵元的电流馈入方向为水平馈入方向，所述馈电网络包括第一馈电单元，所述第一馈电单元在所述水平馈入方向上与每个所述发射阵元电连接，用于馈入所述第一电流信号。

可选地，每个所述发射阵元包括在水平馈入方向上的水平馈入端口、水平馈出端口及在垂直馈入方向上的垂直馈入端口；

所述第一馈电单元包括多个第一馈线，每个所述第一馈线电连接在相邻两个所述发射阵元中一个所述发射阵元的水平馈出端口与另一个所述发射阵元的水平馈入端口之间。

可选地，所述第二电流信号相对所述发射阵元的电流馈入方向为垂直馈入方向，所述馈电网络包括第二馈电单元，所述第二馈电单元在垂直馈入方向上与每个所述发射阵元电连接，用于馈入所述第二电流信号。

可选地，每个所述发射阵元包括在水平馈入方向上的水平馈入端口、水平馈出端口及在垂直馈入方向上的垂直馈入端口；

所述第二馈电单元包括多个第二馈线，每个所述第二馈线电连接在相邻两个所述发射阵元的垂直馈入端口之间。

可选地，每个所述第二馈线包括水平馈线与垂直馈线，一个所述第二馈线中的垂直馈线一端电连接在所述垂直馈入端口上，垂直馈线另一端与所述水平馈线一端电连接，所述水平馈线另一端电连接在另一个所述第二馈线中的水平馈线一端。

可选地，所述水平馈线的长度为介质波导波长。

可选地，部分所述水平馈线被绕制成曲线状。

可选地，相邻两个所述发射阵元之间的间距为介质波导波长。

在第二方面，本发明实施例提供了一种毫米波雷达，包括如上所述的微带天线。

本发明实施例的有益效果包括：提供了一种微带天线及毫米波雷达。微带天线包括介质基板及发射天线阵列，发射天线阵列包括多个发射阵元及馈电网络，每个发射阵元及馈电网络均布设于介质基板上，馈电网络与每个发射阵元电连接，馈电网络可馈入第一电流信号和/或第二电流信号，以使每个发射阵元输出相应极化方向的射频信号，其中，第一电流信号与第二电流信号呈正交关系。本实施例通过灵活地向每个发射阵元馈入第一电流信号和/或与第一电流信号和呈正交关系的第二电流信号，从而灵活地转换极化方式，能够满足多种不同应用场景。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片仅作为示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例提供的一种微带天线的结构示意图；

图2是图1所示的发射天线阵列的结构示意图；

图3是本发明另一实施例提供的一种发射天线阵列的结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的一种微带天线的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种极化方向图；

图6是本发明实施例提供的一种极化通道隔离度的仿真曲线示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施方式，对本申请进行更详细的说明。需要说明的是，当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。此外，下面所描述的本申请不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。例如，天线方向图是描述天线辐射场在空间相对分布随方向变化的图形。由于天线方向图呈花瓣状，故又称为波瓣图。在波瓣图中，最大辐射方向两侧第一个零辐射方向线以内的波束称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。

请一并参阅图1及图2，如图1所示，微带天线包括介质基板100及发射天线阵列200。

介质基板100的一表面用于承载发射天线阵列200，远离发射天线阵列200的一表面接地。其中，介质基板一般包括介电常数、介质基板厚度、正切损耗角等参数，为满足天线设计的需求，需要选取具有合适参数的介质基板。例如，应用于77GHz-81GHz频段毫米波雷达天线设计时，可采用Rogers RO3003板材作为介质基板。在本实施例中，介质基板100的参数或板材可基于不同应用和设计需要自由选取。

如图2所示，发射天线阵列200包括多个发射阵元21及馈电网络22，多个发射阵元21及馈电网络22均布设于介质基板100上。

发射阵元21作为发射天线阵列200的基本辐射单元，发射天线阵列200上的各个发射阵元21可按一定的方向或规律排列以构成辐射系统，从而在空间中辐射出具有方向性的波束。其中，发射天线阵列200的数量可以为一个，亦可以为多个。发射天线阵列200的数量以及各个发射天线阵列200中发射阵元的数量可根据业务需求自由设置。

馈电网络22与每个发射阵元21电连接，馈电网络22可向每个发射阵元21馈入第一电流信号和/或第二电流信号，以使每个发射阵元输出相应极化方向的射频信号，其中，第一电流信号与第二电流信号呈正交关系。

在本实施例，第一电流信号与第二电流信号呈正交关系是指第一电流信号相对发射阵元21的电流馈入方向与第二电流信号相对发射阵元21的电流馈入方向呈正交关系，例如，假设第一电流信号相对发射阵元21的电流馈入方向为水平馈入方向，则第二电流信号相对发射阵元21的电流馈入方向为垂直馈入方向。

馈电网络22向每个发射阵元21馈入的电流不同时，每个发射阵元21输出不同极化方向的射频信号。

举例而言，假设第一电流信号相对发射阵元21的电流馈入方向为水平馈入方向，第二电流信号相对发射阵元21的电流馈入方向为垂直馈入方向，那么，当馈电网络22仅馈入第一电流信号时，每个发射阵元21可输出水平极化方向的射频信号；当馈电网络22仅馈入第二电流信号时，每个发射阵元21可输出垂直极化方向的射频信号；当馈电网络22同时馈入第一电流信号和第二电流信号，且第一电流信号相对第二电流信号超前90度相位时，每个发射阵元21输出左旋极化方向的射频信号；当馈电网络22同时馈入第一电流信号和第二电流信号，且第二电流信号相对第一电流信号超前90度相位时，每个发射阵元21输出右旋极化方向的射频信号。

由于呈正交关系的第一电流信号与第二电流信号可馈入同一发射阵元21，能够在同一口径下实现双极化，因此，相对于传统通过口径分开来实现双极化的方式，空间占用较小，有利于实现小型化。

为了在日益复杂的电磁环境中确保目标的可靠探测，需要针对不同电磁环境的应用场景中，匹配最优的极化方式。在本实施例中，由于可灵活地向每个发射阵元馈入第一电流信号和/或与第一电流信号和呈正交关系的第二电流信号，以灵活地调节每个发射阵元21输出对应极化方向的射频信号，因此，本实施例可实现在一个发射天线阵列上，灵活地转换极化方式，方便寻找在特定应用场景下最优的极化方式，从而可在多种不同应用场景中，均能够实现可靠的目标探测。

在一些实施例中，请参阅图3，相邻两个发射阵元21之间的间距d1为介质波导波长。通过将相邻两个发射阵元21之间的间距设置为介质波导波长，可确保各个发射阵元21的相位一致，以使每个发射阵元21能够正常输出相应极化方向的射频信号。

在一些实施例中，第一电流信号相对发射阵元21的电流馈入方向为水平馈入方向，如图3所示，馈电网络22包括第一馈电单元221，第一馈电单元221在水平馈入方向上与每个发射阵元21电连接，可馈入第一电流信号。

因此，通过第一馈电单元221在水平馈入方向上向每个发射阵元21馈入第一电流信号，可使每个发射阵元21输出对应极化方向的射频信号，例如水平极化方向的射频信号。

在一些实施例中，如图3所示，每个发射阵元21包括在水平馈入方向上的水平馈入端口21a、水平馈出端口21b及在垂直馈入方向上的垂直馈入端口21c。在本实施例中，垂直馈入方向与水平馈入方向呈正交关系，亦即，假设水平馈入方向相对发射阵元21水平，则垂直馈入方向相对发射阵元21垂直。

第一馈电单元221包括多个第一馈线2211，每个第一馈线2211电连接在相邻两个发射阵元21中一个发射阵元21的水平馈出端口21b与另一个发射阵元21的水平馈入端口21a之间。

由于每个第一馈线2211电连接在相邻两个发射阵元21中一个发射阵元21的水平馈出端口21b与另一个发射阵元21的水平馈入端口21a之间，可以理解的是，每个第一馈线2211可将相邻两个发射阵元21串联连接，于是，多个第一馈线2211可将各个发射阵元21在水平馈入方向上进行级联，通过在水平馈入方向上进行级联的方式，当一个发射阵元21的水平馈入端口21a馈入第一电流信号时，该发射阵元21输出的能量通过水平馈出端口21b输出给下一个发射阵元21的水平馈入端口21a，作为馈入到下一个发射阵元21的第一电流信号，如此一来，每个发射阵元21均可馈入第一电流信号。

在一些实施例中，如图3所示，第一馈线2211的长度L1为0.5倍介质波导波长。

在一些实施例中，如图3所示，第一馈电单元221还包括第一馈线2212，第一馈线2212一端可馈入电流信号，另一端电连接于第一个发射阵元21的水平馈入端口21a上。

在一些实施例中，第二电流信号相对发射阵元21的电流馈入方向为垂直馈入方向，如图3所示，馈电网络22包括第二馈电单元222，第二馈电单元222在垂直馈入方向上与每个发射阵元21电连接，可馈入第二电流信号。

因此，通过第二馈电单元222在垂直馈入方向上向每个发射阵元21馈入第一电流信号，可使每个发射阵元21输出对应极化方向的射频信号，例如垂直极化方向的射频信号。

在一些实施例中，如图3所示，每个发射阵元21包括在水平馈入方向上的水平馈入端口21a、水平馈出端口21b及在垂直馈入方向上的垂直馈入端口21c。

第二馈电单元222包括多个第二馈线2221，每个第二馈线2221电连接在相邻两个发射阵元21的垂直馈入端口21c之间。

由于每个第二馈线2221电连接在相邻两个发射阵元21的垂直馈入端口之间，以向该相邻两个发射阵元21馈入第二电流信号，于是，通过多个第二馈线2221可在垂直馈入方向上对各个发射阵元21进行馈电，即向各个发射阵元21馈入第二电流信号，如此一来，每个发射阵元21均可馈入第二电流信号。

在一些实施例中，如图3所示，每个第二馈线2221包括水平馈线2221a与垂直馈线2221b，一个第二馈线2221中的垂直馈线2221b垂直馈线2221b一端电连接在垂直馈入端口21c上，该垂直馈线2221b另一端与水平馈线2221a一端电连接，该水平馈线2221a另一端电连接在另一个第二馈线2221中的水平馈线2221a一端。

在本实施例中，当第二馈电单元222馈入电流信号时，该电流信号的一部分能量通过垂直馈线2221b馈入到发射阵元21的垂直馈入端口21c，另一部分能量通过水平馈线2221a传输，通过水平馈线2221a传输的这一部分能量中又分出一部分能量通过后级的垂直馈线2221b馈入到对应发射阵元21的垂直馈入端口21c，分出另一部分能量通过后级水平馈线2221a传输，以此类推。

可以理解的是，本实施例采用串联馈电的方式对各个发射阵元21进行垂直馈电，以使各个发射阵元21输出垂直极化的射频信号，通过采用此种方式，一方面，垂直极化损耗小，有利于降低性能损失，提高系统性能，另一方面，相邻两个垂直馈入端口21c之间的间距短，可降低额外的连接损耗，从而可进一步提高系统性能。

在一些实施例中，如图3所示，第二馈电单元222还包括主路电流馈线2222，主路电流馈线2222的一端可馈入电流信号，另一端分别与水平馈线2221a的一端及垂直馈线2221b的一端电连接。

在一些实施例中，如图3所示，水平馈线2221a的长度L2为介质波导波长。

在一些实施例中，如图3所示，部分水平馈线2221a被绕制成曲线状。通过将部分水平馈线2221a绕制成曲线状，有利于调节各个发射阵元21的相位、极化通道的隔离度，并且可得到较好的阻抗匹配，进而有利于拓展阵列规模，并且在较大阵列规模的基础上确保性能最优。可以理解的是，部分水平馈线2221a还可被绕制成其它任意形状，具体可由用户根据业务需求自由设置，并不限于图3所示的曲线状。

在一些实施例中，如图3所示，被绕制成曲线状的部分水平馈线2221a的长度L3为0.25倍介质波导波长。

在一些实施例中，请参阅图4，微带天线包括由多行发射天线阵列200构成的天线阵，每行发射天线阵列200的馈电网络可馈入第一电流信号和/或第二电流信号，并且，通过调节第一电流信号和/或第二电流信号的相位，可以使得各个发射阵元21的水平极化和垂直极化同相(如图4中左侧的图所示)，也可以使得相邻行各个发射阵元21的垂直极化反相(如图4中右侧的图所示)，如此可对垂直极化在垂直方向上进行波束赋形设计，实现天线波束的灵活调节。

请参阅图5，图5为本发明实施例提供的一种极化方向图。如图5所示，曲线1为水平极化方向图，曲线2为垂直极化方向图。其中，水平极化方向图对应每个发射阵元输出水平极化方向的射频信号，垂直极化方向图对应每个发射阵元输出垂直极化方向的射频信号。

请参阅图6，图6为本发明实施例提供的一种极化通道隔离度的仿真曲线示意图。如图6所示，微带天线在各个频率下的极化通道隔离度均在-21.38dB以下，隔离度较好，可有效减小极化通道之间的干扰。

最后要说明的是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且在本发明的思路下，上述各技术特征继续相互组合，并存在如上所述的本发明不同方面的许多其它变化，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微带天线，其特征在于，包括：

介质基板；

发射天线阵列，包括多个发射阵元及馈电网络，每个所述发射阵元及所述馈电网络均布设于所述介质基板上，所述馈电网络与每个所述发射阵元电连接，所述馈电网络可馈入第一电流信号和/或第二电流信号，以使每个所述发射阵元输出相应极化方向的射频信号，其中，所述第一电流信号与所述第二电流信号呈正交关系。

2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述第一电流信号相对所述发射阵元的电流馈入方向为水平馈入方向，所述馈电网络包括第一馈电单元，所述第一馈电单元在所述水平馈入方向上与每个所述发射阵元电连接，用于馈入所述第一电流信号。

3.根据权利要求2所述的微带天线，其特征在于，

每个所述发射阵元包括在水平馈入方向上的水平馈入端口、水平馈出端口及在垂直馈入方向上的垂直馈入端口；

所述第一馈电单元包括多个第一馈线，每个所述第一馈线电连接在相邻两个所述发射阵元中一个所述发射阵元的水平馈出端口与另一个所述发射阵元的水平馈入端口之间。

4.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述第二电流信号相对所述发射阵元的电流馈入方向为垂直馈入方向，所述馈电网络包括第二馈电单元，所述第二馈电单元在垂直馈入方向上与每个所述发射阵元电连接，用于馈入所述第二电流信号。

5.根据权利要求4所述的微带天线，其特征在于，

每个所述发射阵元包括在水平馈入方向上的水平馈入端口、水平馈出端口及在垂直馈入方向上的垂直馈入端口；

所述第二馈电单元包括多个第二馈线，每个所述第二馈线电连接在相邻两个所述发射阵元的垂直馈入端口之间。

6.根据权利要求5所述的微带天线，其特征在于，每个所述第二馈线包括水平馈线与垂直馈线，一个所述第二馈线中的垂直馈线一端电连接在所述垂直馈入端口上，所述垂直馈线另一端与所述水平馈线一端电连接，所述水平馈线另一端电连接在另一个所述第二馈线中的水平馈线一端。

7.根据权利要求6所述的微带天线，其特征在于，所述水平馈线的长度为介质波导波长。

8.根据权利要求6所述的微带天线，其特征在于，部分所述水平馈线被绕制成曲线状。

9.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，相邻两个所述发射阵元之间的间距为介质波导波长。

10.一种毫米波雷达，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的微带天线。

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