CN111684654A - 一种毫米波雷达***中的共面馈电大带宽天线设计 - Google Patents

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CN111684654A CN201980010374.2A CN201980010374A CN111684654A CN 111684654 A CN111684654 A CN 111684654A CN 201980010374 A CN201980010374 A CN 201980010374A CN 111684654 A CN111684654 A CN 111684654A
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汤一君
唐哲
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Abstract

本发明涉及一种共面馈电天线,包括:依次设置的下层基板、中层基板和上层基板,以及天线(101)和馈电结构;其中,所述天线(101)位于所述上层基板上;所述馈电结构包括馈电部分(201)和馈电转换部分(301);所述馈电部分(201)位于所述上层基板上;所述馈电转换部分(301)包括转换区,所述转换区位于上层基板、中层基板和下层基板上,通过所述馈电转换部分(301)实现天线信号与所述馈电部分的通信。其具有工作带宽,俯仰面旁瓣抑制水平高,辐射增益平坦度好,波束指向稳定的特点。

Description

一种毫米波雷达***中的共面馈电大带宽天线设计
技术领域
本发明涉及电路技术领域,尤其涉及一种光发射装置及测距装置、移动平台,以及激光雷达、激光测距仪,也可应用于其他基于TOF(time-of-flight,飞行时间)技术的产品。
背景技术
2020年以后,各国规划将以79GHz为中心频率的77~81GHz频段应用于车载毫米波宽带雷达中。77~81GHz宽带雷达相比76~77GHz窄带频段能够大大地提高距离分辨率,适合于对短距离探测中距离分辨率高(0.15m~0.3m)的应用场景中。因此,对包括天线、收发机的雷达前端都有着宽带化工作要求。此外,天线方向图在宽带内实现波束指向的稳定性,方向图增益稳定性能够提高雷达***的宽带应用中稳定表现。
一般来说,天线工作带宽收到多种因素的影响,尤其是阵列天线的输入工作阻抗受到阵列中每一个阵元幅相条件的影响,以驻波分布为典型的阵列天线输入阻抗在宽频带中急剧变换,导致工作频段较窄(相对带宽<5%);
而对于天线辐射方向图来说,天线方向图空间分布具有频变特性,主要难点有:a.旁瓣抑制水平:现有技术实现了在中心工作频率为优于15dB旁瓣抑制水平,而在大带宽内保持高旁瓣抑制水平是实现宽带雷达的痛点;b.增益平坦度:天线频变性影响了辐射增益在宽带内的稳定性,目前适用于77~81GHz频段天线增益平坦度为4~5dB;c.天线方向图波束指向:会存在俯仰面上的波束扫描,角度范围为±5°;
通常的天线馈电方法中,该部分影响着天线的带宽和辐射方向图,现有技术采用侧馈激励阵列天线方式,这种方式不能同时满足前述中所阐述的关于旁瓣抑制水平、增一平坦度以及天线方向图波束指向等性能指标;
尤其值得注意的是,在加工工艺方面,目前,多层堆叠式天线加工不能按照标准PCB工艺加工,其主要阻碍是在盲埋孔的处理上。多采用单独加工天线部分,再与PCB板进行粘合,这种方式极大影响信号传输效率。
考虑到上述种种问题,本发明提出了一种适用于毫米波雷达***的天线设计,其具有工作带宽,俯仰面旁瓣抑制水平高,辐射增益平坦度好,波束指向稳定的特点。具体而言提供了一种用于毫米波雷达***的共面馈电宽带阵列天线,工作频段覆盖77~81GHz。而且本发明天线可以采用标准PCB加工工艺进行加工,降低加工难度,易于其他电路板集成。在更加优化的实施例中,本发明提供的天线主体能在工作带宽内天线方向图旁瓣抑制比优于15dB;增益平坦度小于2dB;提出的孔径耦合激励、平衡馈电方式实现天线波束指向非频变性;采用层叠、共面馈电方式使得整个天线***实现紧凑化。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个而提出了本发明。本发明的第一方面提供一种共面馈电天线,包括:依次设置的下层基板、中层基板和上层基板,以及天线和馈电结构;其中,所述天线位于所述上层基板上;所述馈电结构包括馈电部分和馈电转换部分;所述馈电部分位于所述上层基板上;所述馈电转换部分包括转换区,所述转换区位于上层基板、中层基板和下层基板上,通过所述馈电转换部分实现天线信号与所述馈电部分的通信。
进一步地,所述天线为串馈微带贴片天线,位于所述上层基板的表面。
进一步地,所述天线为阵列天线。
进一步地,所述阵列天线的分布为泰勒分布、切比雪夫分布或三角分布。
进一步地,所述阵列天线具有中心单元天线,所述中心单元天线被激励后,向两侧子阵列传导能量。
进一步地,所述阵列天线下方具有激励缝隙,所述激励缝隙与所述中心单元天线通过孔径耦合。
进一步地,所述激励缝隙的形状包括H形、矩形、领结形或锤子形。
进一步地,所述激励缝隙包括波导窄边开横向缝隙。
进一步地,末节天线贴片为开路。
进一步地,所述馈电部分包括微带线或平面波导。
进一步地,所述馈电转换部分还包括波导传输线,所述波导传输线位于所述下层基板上。
进一步地,所述馈电部分与所述波导传输线通过所述转换区耦合。
进一步地,所述转换区为缝隙耦合。
进一步地,所述波导传输线将馈电部分的信号由平面电路传输至所述下层基板。
进一步地,所述波导传输线通过与缝隙耦合将信号传输至所述天线。
进一步地,所述上层基板、中层基板和下层基板均为PCB基板。
进一步地,所述上层基板包括高频基板材料。
进一步地,所述上层基板包括高频基板材料和半固化片堆叠形成的结构。
进一步地,所述天线与所述馈电结构均位于所述上层基板表面而形成共面馈电结构。
进一步地,所述中层基板包括绝缘基板材料。
进一步地,所述下层基板包括高频基板材料。
进一步地,当所述共面馈电天线作为发射天线时,信号通过所述馈电结构传输至所述天线进行发射。
进一步地,当所述共面馈电天线作为接收天线时,信号通过所述天线接收并传输至所述馈电结构。
本发明的第二方面提供一种移动平台,包括:
第一方面中所述的共面馈电天线;和
平台本体,所述共面馈电天线安装在所述平台本体上。
进一步地,所述移动平台包括无人飞行器、汽车和机器人中的至少一种。
本发明通过提供上述适用于毫米波雷达***的天线设计,其具有工作带宽,俯仰面旁瓣抑制水平高,辐射增益平坦度好,波束指向稳定的特点。具体而言提供了一种用于毫米波雷达***的共面馈电宽带阵列天线,工作频段覆盖77~81GHz。而且本发明天线可以采用标准PCB加工工艺进行加工,降低加工难度,易于其他电路板集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种共面馈电宽带天线结构图正视图;
图2是本发明实施例提供的一种共面馈电宽带天线PCB层叠示意图;
图3是本发明实施例提供的一种共面馈电宽带天线S11结果示意图;
图4是本发明实施例提供的一种共面馈电宽带天线仰面方向图;
图5是本发明实施例提供的一种共面馈电宽带天线方位面方向图。
附图标记说明
101 天线主体
201 天线馈电部分
301 馈电转换部分
401 PCB基板
402 天线层部分
403 馈电层部分
501 缝隙
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种适用于毫米波雷达***的天线设计,其具有工作带宽,俯仰面旁瓣抑制水平高,辐射增益平坦度好,波束指向稳定的特点。具体而言提供了一种用于毫米波雷达***的共面馈电宽带阵列天线,工作频段覆盖77~81GHz。而且本发明天线可以采用标准PCB加工工艺进行加工,降低加工难度,易于其他电路板集成。在更加优化的实施例中,本发明提供的天线主体能在工作带宽内天线方向图旁瓣抑制比优于15dB;增益平坦度小于2dB;提出的孔径耦合激励、平衡馈电方式实现天线波束指向非频变性;采用层叠、共面馈电方式使得整个天线***实现紧凑化。
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行说明。
本发明提供一种共面馈电天线,包括:依次设置的下层基板、中层基板和上层基板,以及天线和馈电结构;其中,所述天线位于所述上层基板上;所述馈电结构包括馈电部分和馈电转换部分;所述馈电部分位于所述上层基板上;所述馈电转换部分包括转换区,所述转换区位于上层基板、中层基板和下层基板上,通过所述馈电转换部分实现天线信号与所述馈电部分的通信。
本发明具体实施方案包括天线馈电方式,馈电结构设计和PCB层叠方式。
宽带雷达***对天线要求之一为保证波束指向不随频率变化,保持探测视距内的最优信噪比。而侧馈方式天线由于在宽带内,天线阵列单元相位变化导致合成波束在俯仰面上存在着一定的角度偏移。于是本发明提出基于平衡中心馈电方式的宽带共面馈电阵列天线设计,具体实施方案如下。
示例性地,本发明的第一种激光发射方案如图1所示。
图1中给出了本发明实施方案的天线整体结构,为天线整体结构的正视图,其中包括天线主体101,天线馈电部分201,馈电转换部分301,天线所用PCB基板401。天线主体101蚀刻在PCB基板401第一层介质层的上表面,为泰勒分布单元串馈微带贴片天线构成。第二层介质层下表面作为天线主体的参考地,天线主体101的中心贴片的下方为H形开口缝隙501,该缝隙501与中心贴片通过孔径耦合方式进行激励,并且,中心贴片天线将受到能力激励产生特定的谐振频率,并且将部分能量向两侧子串进行串联方式的传导激励。末节贴片天线为开路,使得整个阵列中呈驻波分布。开口缝隙不限于H形,可以是矩形,领结形,锤子形。其他介质层可以支撑馈电部分201和馈电转换部分301的设计。馈电部分201不限于微带线(MS)和共面波导(CPW)其他种类的平面传输结构。馈电转换部分301为前文所述的平面传输结构转换至基片集成波导传输线(SIW),继而通过耦合缝隙将表层的信号能量转换至下层。最终激励中心天线下方的耦合缝隙。
图2中展示了天线所用PCB基板401的层叠方式,分为3层,功能上主要分为天线层部分402和馈电层部分403;天线层基板402和馈电层基板403由高频基板材料和半固化片构成。馈电部分201和馈电转换部分301构成了馈电部分,其目的是将由收发机芯片各通道信号有平面电路传输到介质基本下层(层III),最终传输至阵列天线中。本实施方案中,图中的白色直线箭头所指出了当天线为发射天线时,信号的传输路径。
图3给出了图1具体实施方案的回波损耗结果,可以得出该方案天线的工作带宽可以覆盖77~81GHz的频带要求。
其中,S参数由两个复数之比定义,它包含有关信号的幅度和相位的信息。S11为输入反射系数,也就是输入回波损耗,这项参数也被称为反射损失(Return Loss)。S11是S参数中的一个,表示回波损耗特性,一般通过网络分析仪来看其损耗的dB值和阻抗特性。此参数表示天线的发射效率好不好,值越大,表示天线本身反射回来的能量越大,这样天线的效率就越差。S参数(散射参数)用于评估DUT反射信号和传送信号的性能。
如图3所示,其横坐标为频率,单位为GHz,纵坐标为S参数,单位为dB,其中黑色实线示出了S11参数的数值,根据S11的数值,选取频带范围为77~81GHz时,其S11的数值均位于(-40dB,0),尤其是在78-~81GHz的范围内,其S11的数值甚至位于(-20dB,0),由此可见,在该频带范围内,天线本身反射回来的能量很小,天线的效率很高,因此,可以见看出该方案天线的工作带宽可以覆盖77~81GHz的频带要求。
图4和图5分别给出了图1具体实施方案的俯仰面和方位面的天线辐射方向图结果,在77~81GHz工作带宽内,俯仰面旁瓣抑制水平和辐射峰值增益为:
表1天线方向图指标
频点(GHz) 77 79 81
增益(dB) 12.3 12.5 11.8
旁瓣抑制水平(dB) 17 18 16
各频点俯仰面波束指向的小于1°,旁瓣抑制水平优于15dB,天线增益平坦度优于2dB。
天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量想周围空间辐射出去,并且把大部分能量朝所需要的方向辐射。天线中常有若干个对称振子组阵,能够控制辐射,把信号进一步集中到在水平面方向上。在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣,其中最大的瓣成为主瓣,其余的成为副瓣。人们往往要求它的垂直面(即俯仰面)方向图中,主瓣两侧第一副瓣尽可能弱一些,这就是所谓的旁瓣抑制,以避免接收到邻区主瓣直接或间接照射过来的信号,造成邻区干扰,因此,需对其进行抑制。
对本发明提供的共面馈电宽带天线结构进行测试,得到结果如图4中所示,其中,横坐标为角度,通常指的是垂直方向上与Z轴的角度,纵坐标为增益,该增益值是指当天线在X-Y面上的夹角为90度时所测数值,具体地,其中实线为频率为77GHz时所测数值,长虚线为频率为78GHz时所测数值,短虚线线为频率为81GHz时所测数值,由此可见,各频点俯仰面波束指向的小于1°,旁瓣抑制水平优于15dB,天线增益平坦度优于2dB。
因此,本发明提供的共面馈电宽带天线结构具有优良的性能表现,其具有工作带宽,俯仰面旁瓣抑制水平高,辐射增益平坦度好,波束指向稳定的特点。具体而言提供了一种用于毫米波雷达***的共面馈电宽带阵列天线,工作频段覆盖77~81GHz。而且本发明天线可以采用标准PCB加工工艺进行加工,降低加工难度,易于其他电路板集成。
根据前文中描述的实施方式,其提供了1)一种共面馈电的宽带阵列天线设计,馈电结构设计,PCB层叠方式;具体地,2)在天线主体设计中,天线主体为串馈形式的微带贴片阵列天线;其中,在2)中的天线主体设计中,3)串馈式的微带贴片阵列天线中,阵列中心单元天线位于耦合孔径的正上方,被耦合激励后,向两侧子阵列进行能量传导;其中,在2)中天线主体设计中,4)孔径耦合方式为缝隙耦合,缝隙结构可以为矩形,H形,领结形等切割表面电流的变换形式;其中,在2)中天线主体设计中,5)激励缝隙的开缝形式为波导窄边开横向缝隙;并且,6)在馈电结构设计中,传输结构转换方式为从第一层平面传输线转换至上层波导传输线,再由上层波导传输线转换至下层波导传输线;其中,在6)馈电结构设计中,7)第一层平面传输线对收发机芯片的信号进行传导,可以为微带线或共面波导;其中,在6)馈电结构设计中,8)上层波导传输线和下层波导传输线转换方式为通过缝隙耦合方式进行信号传导;而对于9)PCB层叠方式,高频基板材料和半固化片通过堆叠作为天线工作的介质基板;其中,在9)PCB层叠方式中,10)高频基板材料和半固化片通过堆叠作为馈电转换部分的介质基板;其中,在9)PCB层叠方式中,11)高频基板材料作为馈电结构的介质基板。
以上实施例示例性地示出了本发明的一种实施方式,在其他实施方式中,本发明仍然能够解决其要解决的技术问题。
其中,所述天线为串馈微带贴片天线,位于所述上层基板的表面,其具体结构可参见附图1。
其中,所述天线为阵列天线,其具体结构可参见附图1。
其中,所述阵列天线的分布为泰勒分布、切比雪夫分布或三角分布。示例性地,可以改变单元天线幅度分布比、类型、数目,例如选择泰勒分布的级数,示例性地,2级、3级、4级、5级、6级、7级、8级或9级,例如,选择其他的天线分布方式,例如切比雪夫分布或三角分布,示例性地,切比雪夫分布或三角分布的级数也可以作出上述选择,例如,选择单元天线包含的天线主体数目,示例性地,可以包含至少一个天线主体,且各个天线主体可以选择相同的天线主体,即同一天线主体的重复,也可以选择不同的天线主体,其中,不同的天线主体的不同之处可以在于其分布方式和/或级数;
其中,所述阵列天线具有中心单元天线,所述中心单元天线被激励后,向两侧子阵列传导能量。
其中,所述阵列天线下方具有激励缝隙,所述激励缝隙与所述中心单元天线通过孔径耦合。
其中,所述激励缝隙,也可以称作耦合缝隙,其形状包括H形、矩形、领结形或锤子形。缝隙也可以包括孔径结构,本发明在此不作出特别限定。
其中,所述激励缝隙包括波导窄边开横向缝隙。
其中,末节天线贴片为开路。
其中,所述馈电部分包括微带线或平面波导。
其中,所述馈电转换部分还包括波导传输线,所述波导传输线位于所述下层基板上。
其中,所述馈电部分与所述波导传输线通过所述转换区耦合,如附图2所示。
其中,所述转换区为缝隙耦合。
其中,所述波导传输线将馈电部分的信号由平面电路传输至所述下层基板。
其中,所述波导传输线通过与缝隙耦合将信号传输至所述天线。
其中,所述上层基板、中层基板和下层基板均为PCB基板。
其中,所述上层基板包括高频基板材料。具体而言,其材料为RO3003,示例性地,可以改变基板材料属性。
其中,所述上层基板包括高频基板材料和半固化片堆叠形成的结构。示例性地,可以改变层叠尺寸。
其中,所述天线与所述馈电结构均位于所述上层基板表面而形成共面馈电结构。
其中,所述中层基板包括绝缘基板材料。具体而言,其材料为FR4,示例性地,可以改变基板材料属性。
其中,所述下层基板包括高频基板材料。具体而言,其材料为FR4,示例性地,可以改变基板材料属性。
其中,当所述共面馈电天线作为发射天线时,信号通过所述馈电结构传输至所述天线进行发射,如附图2所示。
其中,当所述共面馈电天线作为接收天线时,信号通过所述天线接收并传输至所述馈电结构,如附图2所示。
本发明还提供一种移动平台,包括:
第一方面中所述的共面馈电天线;和
平台本体,所述共面馈电天线安装在所述平台本体上。
进一步地,所述移动平台包括无人飞行器、汽车和机器人中的至少一种。
本发明实施例中所使用的技术术语仅用于说明特定实施例而并不旨在限定本发明。在本文中,单数形式“一”、“该”及“所述”用于同时包括复数形式,除非上下文中明确另行说明。进一步地,在说明书中所使用的用于“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件,但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件。
在所附权利要求中对应结构、材料、动作以及所有装置或者步骤以及功能元件的等同形式(如果存在的话)旨在包括结合其他明确要求的元件用于执行该功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述出于实施例和描述的目的被给出,但并不旨在是穷举的或者将被发明限制在所公开的形式。在不偏离本发明的范围和精神的情况下,多种修改和变形对于本领域的一般技术人员而言是显而易见的。本发明中所描述的实施例能够更好地揭示本发明的原理与实际应用,并使本领域的一般技术人员可了解本发明。
本发明中所描述的流程图仅仅为一个实施例,在不偏离本发明的精神的情况下对此图示或者本发明中的步骤可以有多种修改变化。比如,可以不同次序的执行这些步骤,或者可以增加、删除或者修改某些步骤。本领域的一般技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程,并依本发明权利要求所作的等同变化,仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (25)

1.一种共面馈电天线,其特征在于,包括:依次设置的下层基板、中层基板和上层基板,以及天线和馈电结构;
其中,所述天线位于所述上层基板上;
所述馈电结构包括馈电部分和馈电转换部分;
所述馈电部分位于所述上层基板上;
所述馈电转换部分包括转换区,
所述转换区位于上层基板、中层基板和下层基板上,
通过所述馈电转换部分实现天线信号与所述馈电部分的通信。
2.如权利要求1所述的共面馈电天线,其特征在于,所述天线为串馈微带贴片天线,位于所述上层基板的表面。
3.如权利要求2所述的共面馈电天线,其特征在于,所述天线为阵列天线。
4.如权利要求3所述的共面馈电天线,其特征在于,所述阵列天线的分布为泰勒分布、切比雪夫分布或三角分布。
5.如权利要求3所述的共面馈电天线,其特征在于,所述阵列天线具有中心单元天线,所述中心单元天线被激励后,向两侧子阵列传导能量。
6.如权利要求5所述的共面馈电天线,其特征在于,所述阵列天线下方具有激励缝隙,所述激励缝隙与所述中心单元天线通过孔径耦合。
7.如权利要求6所述的共面馈电天线,其特征在于,所述激励缝隙的形状包括H形、矩形、领结形或锤子形。
8.如权利要求3所述的共面馈电天线,其特征在于,所述激励缝隙包括波导窄边开横向缝隙。
9.如权利要求3所述的共面馈电天线,其特征在于,末节天线贴片为开路。
10.如权利要求1所述的共面馈电天线,其特征在于,所述馈电部分包括微带线或平面波导。
11.如权利要求1所述的共面馈电天线,其特征在于,所述馈电转换部分还包括波导传输线,所述波导传输线位于所述下层基板上。
12.如权利要求11所述的共面馈电天线,其特征在于,所述馈电部分与所述波导传输线通过所述转换区耦合。
13.如权利要求12所述的共面馈电天线,其特征在于,所述转换区为缝隙耦合。
14.如权利要求11所述的共面馈电天线,其特征在于,所述波导传输线将馈电部分的信号由平面电路传输至所述下层基板。
15.如权利要求14所述的共面馈电天线,其特征在于,所述波导传输线通过与缝隙耦合将信号传输至所述天线。
16.如权利要求1所述的共面馈电天线,其特征在于,所述上层基板、中层基板和下层基板均为PCB基板。
17.如权利要求16所述的共面馈电天线,其特征在于,所述上层基板包括高频基板材料。
18.如权利要求16所述的共面馈电天线,其特征在于,所述上层基板包括高频基板材料和半固化片堆叠形成的结构。
19.如权利要求16所述的共面馈电天线,其特征在于,所述天线与所述馈电结构均位于所述上层基板表面而形成共面馈电结构。
20.如权利要求16所述的共面馈电天线,其特征在于,所述中层基板包括绝缘基板材料。
21.如权利要求16所述的共面馈电天线,其特征在于,所述下层基板包括高频基板材料。
22.如权利要求1所述的共面馈电天线,其特征在于,当所述共面馈电天线作为发射天线时,信号通过所述馈电结构传输至所述天线进行发射。
23.如权利要求1所述的共面馈电天线,其特征在于,当所述共面馈电天线作为接收天线时,信号通过所述天线接收并传输至所述馈电结构。
24.一种移动平台,其特征在于,包括:
权利要求1至23任一项所述的共面馈电天线;和
平台本体,所述共面馈电天线安装在所述平台本体上。
25.根据权利要求24所述的移动平台,其特征在于,所述移动平台包括无人飞行器、汽车和机器人中的至少一种。
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