CN113659326A - 一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线及毫米波雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线及毫米波雷达，包括：发射天线和接收天线；所述发射天线和接收天线靠近馈电端的一端，分别在两侧耦合C形谐振单元；所述发射天线与接收天线之间，以及所述发射天线之间分别设置周期性超表面结构‑电磁带隙结构。本发明发射天线或接收天线的贴片结构中，对通过道尔夫‑切比雪夫电流综合法计算得出的电流比进行微调，适当缩小最下端(靠近馈电端一侧)贴片宽度且适当增加最上端贴片宽度，这一调整有效扩展了阻抗带宽并提高了天线末端辐射效率。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波雷达技术领域，尤其涉及一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线及毫米波雷达。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着5G技术及其应用的推广，毫米波器件及方案再一次受到专业圈内乃至普通公众的广泛关注。毫米波在广义中的定义是波长介于1-10mm的电磁波，其优点是：受可见光和热辐射影响小、可用频带宽、波束窄分辨率高、器件小易集成等。商用毫米波雷达作为毫米波技术典型应用之一近年来逐步受到市场重视，其应用场景众多，诸如：医疗探测、车载雷达、护理监测、各类无人设备传感器等，且伴随着当前半导体器件越来越高的集成度以及软件算法的智能化，有理由相信在未来毫米波雷达的应用会更加广泛和深入。
天线作为毫米波雷达的必备元件之一，主要起到电流与电磁波高效转化的作用。
时下毫米波天线的物理形式主要包含芯片级封装天线(AOC,Antenna-on-Chip)和板载分立式两类，其中AOC天线具有集成度高、低功耗等优势，但同时，不易精准加工和天线***不易测试的劣势导致其仍未占有主流市场。基于加工、尺寸和性能平衡的考量，当前分立式毫米波天线主要形式为板载微带天线，但带宽窄、增益小且隔离度较低等问题是微带天线的发展困境，尤其当毫米波天线应用在雷达***中时，这些缺陷又会进一步被放大，严重制约了雷达***的整体性能。
当前，为提高雷达板载天线的相对带宽(以10dB为基准)，业内普遍采用增大辐射贴片宽度或采用多副频率不同的收发天线，但由此引入的尺寸急剧扩张、频间互扰以及副瓣提高等问题没有得到很好的解决；另一方面由于雷达是由收、发天线共同组成，因此隔离度问题是在设计以及生产过程中必须要着重考虑的，目前比较主流的提高天线间隔离度的方案有：增加天线间距、调整不同天线间的传输相位差、将不同天线在物理空间中错位放置等。以上方案确实可以提高隔离度，但平面尺寸的扩张、加工精度的控制、过长的微带走线(损耗)等问题则凸显出来，一个问题的解决，却又带来了更多的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线及毫米波雷达，采用双“C”形谐振单元结合开路短截线，能够提高天线的阻抗带宽且效果显著；采用“井”字形周期性电磁带隙结构(EBG)，能够提高收、发天线之间的隔离度。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，包括：发射天线和接收天线；所述发射天线和接收天线靠近馈电端的一端，分别在两侧耦合C形谐振单元；所述发射天线与接收天线之间，以及所述发射天线之间分别设置周期性超表面结构-电磁带隙结构。
作为进一步地方案，所述发射天线和接收天线均包括：经过电流锥削处理的若干微带贴片，所述微带贴片中心位置通过微带传输线两两相连。
作为进一步地方案，所述微带贴片中，最远离馈电端的微带贴片宽度大于最靠近馈电端的微带贴片宽度。
作为进一步地方案，所述C形谐振单元下方设有与微带传输线连接的开路短截线。
作为进一步地方案，所述周期性超表面结构-电磁带隙结构为井字形周期性电磁带隙结构。
作为进一步地方案，相邻两根接收天线之间间隔设定距离。
作为进一步地方案，还包括：双层介质基板结构，上层共面波导与下层地通过接地通孔导通。
作为进一步地方案，所述将天线层与信号层和电源层进行混压处理，并通过金属螺丝进行机械强度加固。
作为进一步地方案，通过调节C形谐振单元的间隙长度能够得出C形谐振单元的谐振频率。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种毫米波雷达，其特征在于，包括：上述的基于电磁带隙结构的毫米波微带天线；其中，接收天线的共面传输线与接收引脚连接，发射天线的共面传输线与发射引脚连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明发射天线或接收天线的贴片结构中，对通过道尔夫-切比雪夫电流综合法计算得出的电流比进行微调，适当缩小最下端(靠近馈电端一侧)贴片宽度且适当增加最上端贴片宽度，这一调整有效扩展了阻抗带宽并提高了天线末端辐射效率。
(2)本发明通过在微带传输线的馈电端两侧耦合双“C”形耦合谐振单元，大大扩展了天线的阻抗带宽；同时在谐振单元下方连接单根开路短截线，有效提高了工作频带内的谐振深度；
(3)本发明通过采用设计巧妙的“井”字形EBG结构，在提升了发射端天线增益的同时，还有效抑制了表面波的传播，使得收、发天线之间的隔离度有了较明显的提升。通过提高天线间隔离度水平，最终可有效降低雷达***信噪比，使得雷达波具有更远的覆盖范围。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中基于电磁带隙结构的毫米波微带天线结构示意图；
图2为本发明实施例中毫米波微带天线细节放大示意图；
图3为本发明实施例中采用空间隔离和未采用空间隔离的接收端天线间隔离度仿真曲线对比示意图；
图4为本发明实施例中采用电磁带隙结构和未采用该结构的收、发天线间隔离度仿真曲线对比示意图；
其中，1.共面波导，2.接收天线的共面传输线，3.发射天线的共面传输线，4.微带贴片，5.谐振单元，6.开路短截线，7.周期性超表面结构，8.接地通孔，9.金属螺丝。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，如图1所示，包括：发射天线和接收天线；所述发射天线和接收天线靠近馈电端的一端，分别在两侧耦合C形谐振单元5；C形谐振单元5下方设有与微带传输线连接的开路短截线6。
发射天线和接收天线均包括：经过电流锥削处理的若干微带贴片4，微带贴片4中心位置通过微带传输线两两相连。微带贴片4中，最远离馈电端的微带贴片宽度大于最靠近馈电端的微带贴片宽度。
发射天线与接收天线之间，以及所述发射天线之间分别设置周期性超表面结构7-电磁带隙结构。
具体地，结合图2，本实施例毫米波微带天线采用双发四收形式，包括4根接收天线和2根发射天线，基于互易定理，上述6根收发天线在物理结构及尺寸上完全相同，均由6片经过电流锥削处理的微带贴片构成，贴片中心位置通过近似于二分之一介质波长的微带传输线两两相连；
本实施例中，微带天线的贴片均经过道尔夫-切比雪夫电流综合处理，用于电流锥削以减小副瓣电平，根据切比雪夫锥削公式计算，自中心贴片向两侧贴片分布电流比为I3:I2:I1＝1:0.622:0.513，但考虑到为获得更宽的匹配带宽和更高的辐射效率，最下端贴片(靠近馈电端)应适当缩小宽度且最上端贴片应适当增加宽度。最终，经工程经验和仿真软件(Ansys HFSS，下同)优化得出各贴片实际宽度分别为W1＝0.86mm，W2＝1.18mm，W3＝1.31mm及W4＝0.65mm。此外，根据矩形线极化贴片天线公式计算，贴片长度及传输线长度应约为半介质波长，即L_patch＝1.04mm,L_line＝1.14mm。
贴片天线靠近馈电端一侧，加载有一大一小两个“C”形谐振单元5，且谐振单元5并不与微带传输线直连，而是通过耦合方式相互作用；谐振单元5下方有一根开路短截线6与微带线直连。
本实施例中，为最大化阻抗带宽，进而提高雷达角度分辨率，创新性的在微带传输线的两侧各耦合加载了一个“C”形谐振单元5，该谐振单元5的等效电路模型为一组LC并联谐振电路，通过调节加载单元的间隙长度得以近似得出单元的谐振频率，从而在天线原有的谐振频点附近又获得了1个谐振频点，当这2个谐振点彼此靠近后，也即最终实现了扩频的目的。通过近似计算和仿真软件强大的优化能力，最终分别得出两个个“C”形谐振单元5的间隙长度分别为L_gap1＝0.3mm,L_gap2＝0.2mm。同时，为进一步提高谐振深度，在靠近馈电端的一侧，又设置了一根开路短截线6，根据史密斯圆图计算，该短截线适宜长度为L_stub＝1mm。
本实施例中，为增大天线间隔离度，在4根收发天线以及2根发射天线之间分别设置了一片周期性“井”字形超表面结构-电磁带隙结构(EBG)，该结构在特定频段具有表面波禁带及相位反向特性，此特点可明显抑制特定频段的表面波传播，从而提高了收发以及发射间隔离度。本实施例中采用的“井”字形EBG结构属于典型的平面紧凑型EBG结构(UC-EBG)，其等效电路可近似为一组并联LC谐振电路，根据其等效电路模型的电感(L)、电容(C)计算公式及谐振电路中心频率计算公式，可以近似得出一组基本结构参数；后通过仿真软件进行优化，进而得出该EBG结构的单元参数：单元外边长L_outer＝1.7mm，内变长L_inner＝1.3mm及周期缝隙L_slot＝0.12mm；最后，通过对EBG单元进行周期性排布，形成了周期性超表面结构7；
同时，本实施例采用空间隔离，即在4根接收天线间选取合适(半介质波长以上)的间距L_gap3＝2.44mm，此措施有效的提高了接收天线之间的隔离度。
本实施例的天线采用双层板结构，介质基板采用单层Rogers_RO3003高频板，板厚0.13mm，在工作频率下介电常数及损耗角正切分别为3.07和0.0013，上下覆铜层厚度均为1oZ，上层镀金后总厚度为1.2oZ。
上层共面波导1与下层地(GND)通过接地通孔8导通；天线层一般会与下方信号层、电源层等进行混压处理，通过金属螺丝9进行机械强度加固。
本实施例通过加载双“C”形谐振单元5并结合对切比雪夫电流综合法的微调整，成功获得了较大的阻抗带宽。其中，10dB带宽覆盖76.5G-81.5GHz，相对带宽在6.5％左右，相比于市场中同类77GHz毫米波天线3-4％的相对带宽，有了明显提升。
本实施例在设计时采用适宜的贴片间距，在尽量降低副瓣电平的同时也兼顾天线的远场增益；另一方面，EBG结构的设计，也有效增强了2根发射天线(尤其是左侧发射天线)的增益水平。其最大方向(实现)增益可达13dB以上，与市场中同尺寸77GHz毫米波天线10dB左右的(实现)增益，有了明显提高。
本实施例在接收端天线间采用适宜的间隔(兼顾尺寸与隔离度)，参照图3，与未采用空间隔离的原始天线相比(相同天线，但天线间间距未作调整)，接收端天线间隔离度有了明显提升。
结合图4，本实施例通过采用设计巧妙的“井”字形EBG结构，在提升了发射端天线增益的同时，还有效抑制了表面波的传播，使得收、发天线之间的隔离度有了较明显的提升。通过提高天线间隔离度水平，最终可有效降低雷达***信噪比，使得雷达波具有更远的覆盖范围。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种毫米波雷达，包括：实施例一中述的基于电磁带隙结构的毫米波微带天线；其中，接收天线的共面传输线2与接收引脚连接，发射天线的共面传输线3与发射引脚连接。
具体地，本实施例采用某型77GHz毫米波雷达芯片，其有4路接收通道和2路发射通道，通过封装技术，芯片的4路接收pin脚与接收天线的共面传输线2进行焊接；2路发射pin脚与发射天线的共面传输线3进行焊接。
本实施例的毫米波雷达易集成、高增益、大带宽、高隔离度且易加工、可实现中、远距离探测；可以应用到生命体征探测雷达(VS系列)、汽车盲区探测雷达(BSD系列)、汽车前向测速雷达等。
本实施例的毫米波雷达扩宽了工作带宽，直接提高了雷达的角度分辨率；更大的天线(实现)增益，使雷达获得更远的覆盖范围；较高的天线隔离度有效减少了天线间的互扰现象，提高了雷达***信噪比，使得雷达获取更佳的信号信息，覆盖更远的范围；天线单元模块化，未来新款雷达应用，可进行简单的组合，即可形成新款天线，大幅缩短了开发周期。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，其特征在于，包括：发射天线和接收天线；所述发射天线和接收天线靠近馈电端的一端，分别在两侧耦合C形谐振单元；所述发射天线与接收天线之间，以及所述发射天线之间分别设置周期性超表面结构-电磁带隙结构。
2.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，其特征在于，所述发射天线和接收天线均包括：经过电流锥削处理的若干微带贴片，所述微带贴片中心位置通过微带传输线两两相连。
3.如权利要求2所述的一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，其特征在于，所述微带贴片中，最远离馈电端的微带贴片宽度大于最靠近馈电端的微带贴片宽度。
4.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，其特征在于，所述C形谐振单元下方设有与微带传输线连接的开路短截线。
5.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，其特征在于，所述周期性超表面结构-电磁带隙结构为井字形周期性电磁带隙结构。
6.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，其特征在于，相邻两根接收天线之间间隔设定距离。
7.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，其特征在于，还包括：双层介质基板结构，上层共面波导与下层地通过接地通孔导通。
8.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，其特征在于，天线层与信号层和电源层进行混压处理，并通过金属螺丝进行机械强度加固。
9.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的毫米波微带天线，其特征在于，通过调节C形谐振单元的间隙长度能够得出C形谐振单元的谐振频率。
10.一种毫米波雷达，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的基于电磁带隙结构的毫米波微带天线；其中，接收天线的共面传输线与接收引脚连接，发射天线的共面传输线与发射引脚连接。
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