CN110380232A - 一种基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，包括从上往下依次设置的第一铜层、第二铜层、第三铜层和第四铜层，在第一铜层上设有多个并排设置的天线单元组成的寄生贴片阵列，在第二铜层上设有多个并排设置且通过微带串联的天线单元组成的微带串联贴片阵列，微带串联贴片阵列的每个天线单元均与寄生贴片阵列对应位置的天线单元的中心位置重合，在第三铜层和第四铜层上均设有SIW馈电网络，两层SIW馈电网络对位于寄生贴片阵列和微带串联贴片阵列中间位置的天线单元进行孔径耦合馈电。本发明通过设置的双层贴片天线阵列与双层SIW馈电网络实现双层贴片耦合效应以及SIW孔径耦合馈电，实现超宽带，低副瓣的性能。

Description

一种基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线。

背景技术

现阶段，为了进一步地提高无线通信的传输速率和雷达的分辨率，毫米波频段逐渐成为了研究重点。24GHz和77GHz两个频段是分配给车载雷达使用的主要工作频段，77GHz与24GHz频段相比，波长较短，雷达尺寸明显减小，短距雷达的高分辨率需要较大的绝对工作带宽，77GHz更容易实现，因此77GHz频段是未来汽车防撞雷达发展的主要方向。

微带串馈阵列天线由于具有低剖面、重量轻、制造成本低和馈线长度短、损耗小等优点，被广泛地应用于毫米波无线通信***和雷达***中。其中，当前各大汽车厂商研究热点的77GHz车载雷达天线普遍采用的就是串馈微带的天线形式。但是微带串馈阵列天线的带宽有限，在优化过程中存在以下问题，使其难以优化：

（1）77GHz毫米波天线的性能，尤其是谐振频率对加工误差非常敏感，目前的加工工艺会造成实际测试的结果与设计结果频偏几百MHz左右，甚至更多，这就导致需要多次制版反复调整，设计周期延长；

（2）为提高雷达产品的分辨率，硬件上最有效的方法是扩大天线口径和拓展天线工作带宽，而产品的面积固定，导致天线口径的改善空间很有限；

（3）馈电网络往往对天线的主波束方向产生难以优化的影响，这种偏差（尤其是E面）会令雷达的远距制式的探测距离达不到预期的设计要求。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的不足，提供一种基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，包括从上往下依次设置的第一铜层、第二铜层、第三铜层和第四铜层，在所述第一铜层上设有寄生贴片阵列，所述寄生贴片阵列包括多个并排设置的天线单元，在所述第二铜层上与所述寄生贴片阵列相对位置设有微带串联贴片阵列，所述微带串联贴片阵列包括多个并排设置且通过微带串联的天线单元，所述微带串联贴片阵列中的天线单元的数量与所述寄生贴片阵列的天线单元的数量相同，所述微带串联贴片阵列的每个天线单元均与所述寄生贴片阵列对应位置的天线单元的中心位置重合，在所述第三铜层上设有第一SIW馈电网络，在所述第四铜层上设有第二SIW馈电网络，所述第一SIW馈电网络和第二SIW馈电网络对位于所述寄生贴片阵列和微带串联贴片阵列中间位置的天线单元进行孔径耦合馈电。

进一步的，作为优选技术方案，所述寄生贴片阵列或微带串联贴片阵列中相邻两所述天线单元之间的间距根据天线方向图的主波束设置。

进一步的，作为优选技术方案，所述寄生贴片阵列或微带串联贴片阵列中相邻两所述天线单元之间的间距设置范围为0.9 mm -1.3mm。

进一步的，作为优选技术方案，所述微带串联贴片阵列中的天线单元与寄生贴片阵列中相对位置的天线单元的尺寸根据天线的谐振频率和带宽设置成一定比例。

进一步的，作为优选技术方案，所述寄生贴片阵列和微带串联贴片阵列中的天线数量为奇数个，所述寄生贴片阵列或微带串联贴片阵列的多个天线单元成锥削分布，所述寄生贴片阵列或微带串联贴片阵列的多个天线单元的尺寸根据泰勒分布的计算确定，位于所述寄生贴片阵列或微带串联贴片阵列中间位置的天线单元的尺寸最大。

进一步的，作为优选技术方案，所述第一SIW馈电网络为SIW的馈电正面，所述第一SIW馈电网络包括多个结构相同的第一通孔、多个结构相同的第一短路孔和SIW缝隙。

进一步的，作为优选技术方案，所述第二SIW馈电网络为SIW的馈电背面，所述第二SIW馈电网络包括与第一通孔数量相同的第二通孔和与第一短路孔数量相同的第二短路孔；所述第二通孔与第一通孔以及第二短路孔与第一短路孔相通且尺寸相同位置相对应。

进一步的，作为优选技术方案，多个所述第一通孔呈两列平行于寄生贴片阵列设置，多个所述第一短路孔并排设置且位于两列第一通孔之间并与两列所述第一通孔垂直设置，所述SIW缝隙与位于所述微带串联贴片阵列中间的天线单元相对设置。

进一步的，作为优选技术方案，所述第一通孔的数量为偶数，所述第一短路孔为3个或者4个。

进一步的，作为优选技术方案，所述第一通孔的直径、每列相邻两所述第一通孔之间的间距、两列所述第一通孔之间的间距、所述第一短路孔的直径以及相邻两所述第一短路孔之间的间距均可根据根据天线的谐振频率通过SIW等效公式调节；所述SIW缝隙的宽度和长度根据天线的回波损耗的带宽调节。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过设置的双层贴片天线阵列与双层SIW馈电网络实现双层贴片耦合效应以及SIW孔径耦合馈电，本发明的双层贴片耦合效应结合SIW孔径耦合馈电使得本发明的天线的带宽得到很大拓展，实现了超过10GHz的回波损耗带宽；两层贴片天线阵列均利用锥削分布，实现了接近-30dB的超低副瓣，以及90°以上的H面3dB波束宽度。利用SIW缝隙中间馈电的位置，实现天线宽带内的波束指向始终为0的性能。本发明的天线受到加工公差的影响比较小，为算法提供了更宽的带宽，大大提高了雷达的分辨率。此外，本发明的天线的超低副瓣有效的减小地面等非目标物的反射造成的干扰。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明位于第一铜层上的寄生贴片阵列结构图。

图3为本发明位于第二铜层上的微带串联贴片阵列结构图。

图4为本发明位于第三铜层上的第一SIW馈电网络结构图。

图5为本发明位于第四铜层上的第二SIW馈电网络结构图。

图6为本发明的单根天线的回波损益曲线。

图7为本发明的单根天线的实际增益曲线。

图8为本发明的单根天线的H面方向图。

图9为本发明的单根天线的E面方向图。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。

实施例1

一种基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，如图1-5所示：包括从上往下依次设置的第一铜层1、第二铜层2、第三铜层3和第四铜层4，在第一铜层1上设有寄生贴片阵列11，寄生贴片阵列11包括多个并排设置的天线单元，在第二铜层2上与寄生贴片阵列11相对位置设有微带串联贴片阵列21，微带串联贴片阵列21包括多个并排设置且通过微带串联的天线单元，微带串联贴片阵列21中的天线单元的数量与寄生贴片阵列11的天线单元的数量相同，微带串联贴片阵列21的每个天线单元均与寄生贴片阵列11对应位置的天线单元的中心位置重合，在第三铜层3上设有第一SIW馈电网络31，在第四铜层4上设有第二SIW馈电网络41，第一SIW馈电网络31和第二SIW馈电网络41对位于寄生贴片阵列11和微带串联贴片阵列21中间位置的天线单元进行孔径耦合馈电，以实现超宽带，低副瓣的性能。

在本发明中，寄生贴片阵列11和微带串联贴片阵列21中的天线数量为奇数个， 寄生贴片阵列11或微带串联贴片阵列21的多个天线单元成锥削分布，寄生贴片阵列11或微带串联贴片阵列21中相邻两天线单元之间的间距根据天线方向图的主波束设置，因此，可通过调整相邻两天线单元之间的间距保证低副瓣的特性。其中，寄生贴片阵列11和微带串联贴片阵列21中的天线数量根据天线指标调整，例如，可以是5个、7个、9个、11个、13个等，在本实施中，寄生贴片阵列11和微带串联贴片阵列21中的天线数量为9个。

而寄生贴片阵列11或微带串联贴片阵列21中相邻两天线单元之间的间距设置范围为0.9 mm -1.3mm。由于寄生贴片阵列11中的相邻两天线单元之间的初始间距按半波长设置，而本发明是以天线方向图主波束指向为优化目标，因此本实施例中寄生贴片阵列11或微带串联贴片阵列21中的相邻两天线单元之间的初始间距设置为1.1mm，而其根据天线方向图的主波束调节的范围为+/-0.2mm，因此，寄生贴片阵列11或微带串联贴片阵列21中相邻两天线单元之间的间距设置范围为0.9 mm -1.3mm。

同样，在本发明中，由于微带串联贴片阵列21的每个天线单元均与寄生贴片阵列11对应位置的天线单元的中心位置重合，且微带串联贴片阵列21中的天线单元与寄生贴片阵列11中相对位置的天线单元的尺寸根据天线的谐振频率和带宽设置成一定比例，才能保证天线的谐振频率和带宽达到最优值，因此，需要控制微带串联贴片阵列21的每个天线单元均与寄生贴片阵列11对应位置的天线单元的中心位置重合，并且微带串联贴片阵列21中的天线单元与寄生贴片阵列11中相对位置的天线单元的尺寸成一定比例，才能控制天线的谐振频率和带宽达。

在本实施例中，微带串联贴片阵列21中的天线单元与寄生贴片阵列11中相对位置的天线单元的尺寸之间的比例为1：k，作为优选技术方案，k为1，即微带串联贴片阵列21中的天线单元与寄生贴片阵列11中相对位置的天线单元的尺寸相同。

而，寄生贴片阵列11或微带串联贴片阵列21的多个天线单元的尺寸根据泰勒分布的计算确定，位于寄生贴片阵列11或微带串联贴片阵列21中间位置的天线单元的尺寸最大，位于寄生贴片阵列11或微带串联贴片阵列21两侧的4个天线单元相对于位于寄生贴片阵列11或微带串联贴片阵列21中间位置的天线单元对称设置。

在本发明中，第一SIW馈电网络31为SIW的馈电正面，第一SIW馈电网络31包括多个结构相同的第一通孔311、多个结构相同的第一短路孔312和SIW缝隙313。第二SIW馈电网络41为SIW的馈电背面，第二SIW馈电网络41包括与第一通孔311数量相同的第二通孔411和与第一短路孔312数量相同的第二短路孔412；第二通孔411与第一通孔311以及第二短路孔412与第一短路孔312相通且尺寸相同位置相对应。

其中，多个第一通孔311呈两列平行于寄生贴片阵列11设置，多个第一短路孔312并排设置且位于两列第一通孔311之间并与两列第一通孔311垂直设置，SIW缝隙313与位于微带串联贴片阵列21中间的天线单元相对设置。而第一通孔311的直径、每列相邻两第一通孔311之间的间距、两列第一通孔311之间的间距、第一短路孔312的直径以及相邻两第一短路孔312之间的间距均可根据根据天线的谐振频率通过SIW等效公式调节；SIW缝隙313的宽度和长度根据天线的回波损耗的带宽调节。第一通孔311的数量为偶数，第一短路孔312为3个或者4个。

在本发明中，通过调节第一通孔311的直径、每列相邻两第一通孔311之间的间距以及两列第一通孔311之间的间距可调节天线的工作频率，通过调节SIW缝隙313的宽度和/或长度，可调节天线的回波损耗的宽度，通过调节第一短路孔312的位置、直径和相邻两第一短路孔312之间的间距，可调节天线的谐振频率。

本发明的天线通过设置的双层贴片天线阵列与双层SIW馈电网络实现双层贴片耦合效应以及SIW孔径耦合馈电，本发明的双层贴片耦合效应结合SIW孔径耦合馈电使得本发明的天线的带宽得到很大拓展，实现了超过10GHz的回波损耗带宽，如图6和图7所示；两层贴片天线阵列均利用锥削分布，实现了接近-30dB的超低副瓣的E面SLL，以及90°以上的H面3dB波束宽度和，如图8和图9所示。利用SIW缝隙中间馈电的位置，实现天线宽带内的波束指向始终为0的性能。本发明的天线受到加工公差的影响比较小，为算法提供了更宽的带宽，大大提高了雷达的分辨率。此外，本发明的天线的超低副瓣有效的减小地面等非目标物的反射造成的干扰。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，包括从上往下依次设置的第一铜层（1）、第二铜层（2）、第三铜层（3）和第四铜层（4），在所述第一铜层（1）上设有寄生贴片阵列（11），所述寄生贴片阵列（11）包括多个并排设置的天线单元，在所述第二铜层（2）上与所述寄生贴片阵列（11）相对位置设有微带串联贴片阵列（21），所述微带串联贴片阵列（21）包括多个并排设置且通过微带串联的天线单元，所述微带串联贴片阵列（21）中的天线单元的数量与所述寄生贴片阵列（11）的天线单元的数量相同，所述微带串联贴片阵列（21）的每个天线单元均与所述寄生贴片阵列（11）对应位置的天线单元的中心位置重合，在所述第三铜层（3）上设有第一SIW馈电网络（31），在所述第四铜层（4）上设有第二SIW馈电网络（41），所述第一SIW馈电网络（31）和第二SIW馈电网络（41）对位于所述寄生贴片阵列（11）和微带串联贴片阵列（21）中间位置的天线单元进行孔径耦合馈电。

2.根据权利要求1所述的基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，所述寄生贴片阵列（11）或微带串联贴片阵列（21）中相邻两所述天线单元之间的间距根据天线方向图的主波束设置。

3. 根据权利要求2所述的基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，所述寄生贴片阵列（11）或微带串联贴片阵列（21）中相邻两所述天线单元之间的间距设置范围为0.9 mm -1.3mm。

4.根据权利要求1所述的基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，所述微带串联贴片阵列（21）中的天线单元与寄生贴片阵列（11）中相对位置的天线单元的尺寸根据天线的谐振频率和带宽设置成一定比例。

5.根据权利要求1所述的基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，所述寄生贴片阵列（11）和微带串联贴片阵列（21）中的天线数量为奇数个，所述寄生贴片阵列（11）或微带串联贴片阵列（21）的多个天线单元成锥削分布，所述寄生贴片阵列（11）或微带串联贴片阵列（21）的多个天线单元的尺寸根据泰勒分布的计算确定，位于所述寄生贴片阵列（11）或微带串联贴片阵列（21）中间位置的天线单元的尺寸最大。

6.根据权利要求1所述的基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，所述第一SIW馈电网络（31）为SIW的馈电正面，所述第一SIW馈电网络（31）包括多个结构相同的第一通孔（311）、多个结构相同的第一短路孔（312）和SIW缝隙（313）。

7.根据权利要求6所述的基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，所述第二SIW馈电网络（41）为SIW的馈电背面，所述第二SIW馈电网络（41）包括与第一通孔（311）数量相同的第二通孔（411）和与第一短路孔（312）数量相同的第二短路孔（412）；所述第二通孔（411）与第一通孔（311）以及第二短路孔（412）与第一短路孔（312）相通且尺寸相同位置相对应。

8.根据权利要求6所述的基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，多个所述第一通孔（311）呈两列平行于寄生贴片阵列（11）设置，多个所述第一短路孔（312）并排设置且位于两列第一通孔（311）之间并与两列所述第一通孔（311）垂直设置，所述SIW缝隙（313）与位于所述微带串联贴片阵列（21）中间的天线单元相对设置。

9.根据权利要求6所述的基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，所述第一通孔（311）的数量为偶数，所述第一短路孔（312）为3个或者4个。

10.根据权利要求8所述的基于77GHz汽车雷达的双层贴片阵列天线，其特征在于，所述第一通孔（311）的直径、每列相邻两所述第一通孔（311）之间的间距、两列所述第一通孔（311）之间的间距、所述第一短路孔（312）的直径以及相邻两所述第一短路孔（312）之间的间距均可根据根据天线的谐振频率通过SIW等效公式调节；所述SIW缝隙（313）的宽度和长度根据天线的回波损耗的带宽调节。