CN114725667B - 一种应用于自动驾驶雷达的磁电偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种应用于自动驾驶雷达的磁电偶极子天线，属于天线工程技术领域。该磁电偶极子天线由五层PCB板和四层半固化片所构成，其集成度高，稳定性强，具有平面结构易于共形，适用于自动驾驶MIMO雷达。该磁电偶极子天线阵列由辐射部分，功分器部分和波导转同轴结构部分三部分构成，通过耦合拓宽了天线的阻抗带宽。该天线通过添加可调节哑元阵列和调整单元间距的方式实现了3dB波束宽度可调，满足自动驾驶MIMO雷达对天线的性能需求。

Description

一种应用于自动驾驶雷达的磁电偶极子天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及一种磁电偶极子天线，应用背景为自动驾驶MIMO雷达，其具有集成度高、宽频带、3dB波束宽度可控的特点。
背景技术
磁电偶极子天线通过在天线辐射口径上构造磁极子和电极子来得到在E面和H面对称的方向图，同时其双谐振点可以满足宽带匹配。自动驾驶MIMO雷达对天线的3dB波束宽度有着严格的要求，例如在论文“Patch Array Antenna Using a Dual Coupled FeedingStructure for 79GHz Automotive Radar Applications”中，实现了ZX平面8.1°的3dB波束宽度，ZY平面内70°的波束宽度；在论文“Hybrid thin film multilayer antenna forautomotive radar at 77GHz”中，实现了H面40°、E面12°的3dB波束宽度。此外，在77GHz频段，加工工艺的限制也是对天线设计的一大挑战，最近LTCC工艺在此汽车雷达领域被广泛研究，例如在论文“A 79-GHz resonant laminated waveguide slotted array antennausing novel shaped slots in LTCC”中，一个基于LTCC工艺的波导缝隙天线被提出，其通过谐振方式工作；在论文“A 79-GHz radar sensor in LTCC technology using gridarray antennas”中，提出了一款应用于79GHz雷达的网格阵列天线。但是由于材料损耗等原因，LTCC工艺所加工的天线效率较低，通常在30％以下，因此低损耗的PCB工艺也常被用于毫米波频段。例如在论文“A low-cost and high-gain 60-GHz differential phasedarray antenna in PCB process”中，一个宽带多层的相控阵天线被提出，它基于PCB工艺加工，最终实现了90％的辐射效率。
发明内容
本发明在背景技术的基础上，提出了一种应用于自动驾驶雷达的新型磁电偶极子天线阵列，采用多层PCB板的结构，集成度高，频带宽，3dB波束宽度可调，和自动驾驶雷达所需求的天线性能十分吻合。
本发明采用的技术方案如下：
一种应用于自动驾驶雷达的磁电偶极子天线，该天线由下至上依次堆叠：第一层金属地第一层介质板、第二层金属地、第一层半固化片、第三层金属地、第二层介质板、第二层半固化片、第四层金属地、第三层介质板、第三层半固化片、第五层金属地、第四层介质板、第四层半固化片、第六层金属地、第五层介质板；
第五层介质板上表面设置屏蔽腔金属环，该屏蔽腔金属环为环状贴片，屏蔽腔金属环对应位置均匀设置一圈屏蔽腔金属孔，用于连接屏蔽腔金属环与第六层金属地；屏蔽腔金属环的环状结构内设置多组磁电偶极子金属贴片，每组包括阵列为2×2的4个贴片，4个贴片相对的角相互连通，每个贴片对应位置设置一个磁电偶极子金属孔，用于连接贴片与第六层金属地；
所述第六层金属地上开设有耦合缝，一组磁电偶极子金属贴片对应一条耦合缝；
所述第四层介质板上表面设置有叉形微带馈线，一条耦合缝对应一个叉形微带馈线，叉形微带馈线包括U形耦合区和位于U形底部向U形开口的反方向凸起的馈电区，耦合缝的两端正好与耦合区U形结构的两臂重叠，馈电区对应位置设置馈线输入孔，用于连接位于第三层介质板上表面的第二功分器贴片；第五层金属地上开设有用于穿过馈线输入孔的金属孔，保证馈线输入孔不与第五层金属地接触；
所述第三层介质板上表面的多个第二功分器贴片，第二功分器贴片每个输出孔对应连接一个馈线输入孔；
所述第二层介质板上表面设置有一个第一功分器贴片，第一功分器贴片的每个输出孔对应连接一个第二功分器贴片的输出孔，且不与第四层金属地接触；第一功分器贴片贴片只包括一个输入孔；
所述第一层金属地和第二层金属地开设有方形的空心区域，空心区域周围设置有一圈波导腔金属孔，该波导腔金属孔连通第一层金属地和第二层金属地；第二层金属地开设的空心区域尺寸大于第一层金属地上开设的空心区域；第二层金属地上空心区域内设置有矩形耦合贴片，矩形耦合贴片的边缘部设置波导腔输出孔，该波导腔输出孔与第一功分器贴片输入孔连接，并不与第三层金属地接触；
波导腔金属孔围成的区域为磁电偶极子天线的输入。
进一步的，所述多组磁电偶极子金属贴片设置成一列，这一列磁电偶极子金属贴片的两侧各设置一列哑元阵列，该哑元阵列结构与磁电偶极子金属贴片相同，哑元阵列中每个磁电偶极子金属贴片对应一个耦合缝，再对应一个叉形微带馈线，但哑元阵列对应的叉形微带馈线的馈电区的馈线输入孔直接连接第五层金属地。
本发明采用多层PCB板结构，易于加工，集成度高，具有平面结构，易于共形。通过耦合馈电的方式磁电偶极子阵列的阻抗带宽，通过添加可调节哑元和调整单元间距的方式实现了3dB波束宽度可调，满足自动驾驶MIMO雷达对天线的性能需求。磁电偶极子天线阵列的辐射结构为磁电偶极子，磁电偶极子的中部交叉相接可以改良天线的阻抗匹配性能。除了馈电阵列外，阵列两侧还添加了哑元辐射结构，哑元辐射结构的馈线接地，通过调整接地点可以调节哑元的反射相位，进而实现对水平方向3dB波束宽度的调节。所述磁电偶极子天线阵列的波导转同轴结构是由方形金属贴片和金属孔构成的围腔以及和功分器输入端相接的金属孔构成，通过耦合的方式实现波导场到同轴场的转变。
附图说明
图1为本发明磁电偶极子天线阵列分解3D视图。
图2为本发明磁电偶极子天线阵列侧视图。
图3为本发明磁电偶极子天线阵列关键结构俯视图。其中图3(a)为未添加哑元的天线辐射结构俯视图，图3(b)为天线的叉形馈线和H形耦合开槽的俯视图，图3(c)为一分二功分器的俯视图，图3(d)为波导转同轴结构的俯视图。
图4为此天线哑元阵列示意图。其中图4(a)为添加哑元后的阵列辐射结构俯视图，图4(b)为哑元阵列叉形馈线接地的变化示意图。
图5为此天线的图3(b)结构24在不同长度情况下水平面增益方向图。
图6为此天线的回波损耗随频率变化图。
图7为此天线的图3(b)结构24＝0.45mm时的增益方向图。
图2中结构1为第一层金属地，结构2为第一层介质板，结构3为第二层金属地，结构4为第一层半固化片，结构5为第三层金属地，结构6为第二层介质板，结构7为第二层半固化篇，结构8为第四层金属地，结构9为第三层介质板，结构10为第三层半固化片，结构11为第五层金属地，结构12为第四层介质板，结构13为第四层半固化片，结构14为第六层金属地，结构15为第五层介质板。图3(a)中结构16为屏蔽腔金属环，结构17为屏蔽腔金属孔，结构18为磁电偶极子金属孔，结构19为磁电偶极子金属贴片，结构20为金属连接处。图3(b)中结构21为耦合缝，结构22为叉形微带馈线，结构23为馈线输入孔。图3(c)中结构25为功分器输出孔，结构26为功分器输入孔，结构27为第二功分器贴片。图3(d)中结构28为波导腔金属孔，结构29为矩形耦合贴片，结构30为波导腔输出孔，结构31为上层金属地缺少处。图4(a)中结构32为哑元阵列。图4(b)中结构33为接地点。
具体实施方式
本实施例中磁电偶极子天线阵列分解3D视图如图1，天线工作在W频段，其由5层介质板和4层用于粘接的半固化片胶构成。介质板的材料为RO3003，相对介电常数为3。半固化片材料为RLP30，相对介电常数为3。天线阵列中天线单元的间距为2.4mm。图2为磁电偶极子天线阵列侧视图，其中所有的金属地层厚度都为0.03mm，第一、五层介质板2、15厚度为0.508mm，第二、三、四层介质板6、9、12厚度为0.254mm，所有的半固化片层厚度都为0.111mm。
本实施例中磁电偶极子天线阵列关键结构俯视图如图3。图3(a)为未添加哑元的天线辐射结构俯视图，屏蔽腔金属环16宽度为0.8mm，屏蔽金属孔17直径为0.5mm，此屏蔽腔可以减少天线阵列同MIMO***中其他组件的耦合，进而减少耦合对天线性能的恶化，磁电偶极子金属孔18、磁电偶极子金属铁片19、金属连接处20为构成磁电偶极子的部分，磁电偶极子金属孔18直径为0.4mm，磁电偶极子金属贴片19边长为0.8mm，金属连接处20可以很大程度地改善天线的匹配性能，它的宽度为0.1mm。图3(b)为天线的叉形馈线和H形耦合开槽的俯视图，其中耦合缝21的宽度为0.1mm，H形两侧延长部分长度为0.19mm，开槽整体的长度为0.8mm，其中叉形微带馈线22的叉形开口宽度为0.82mm，微带线整体宽度为0.11mm，切角部分为直角三角形，直角边长为0.1mm，馈线输入孔23为金属化通孔，它的直径为0.2mm，它和下层的功分器输出端相连，其在微带线层金属焊盘单边宽度0.1mm，为了方便连接，叉形微带馈线22中输入部分的宽度同金属化通孔添加焊盘后的直径相同，通过叉形馈线，可以更好地将电磁场耦合到H形开槽的两端，使得在开槽层有环绕H形开槽两端的电流，进而将能量向上耦合到天线辐射结构上，H形开槽得长度影响电流路径的长度，进而可以影响天线的中心工作频率，其中金属过孔到叉形馈线开口的部分24由金属贴片组成，长度为0.35mm。图3(c)为一分二功分器的俯视图，一分二功分器共有两种类型，分别起到将能量一分二和二分四的作用，两种功分器结构相同细节尺寸不同，其中功分器输出孔25直径为0.2mm，其为功分器的输出端，同上层结构的输入端相连，功分器输入孔26直径为0.2mm，其为功分器的输入端，同下层结构的输出端相连，功分器贴片27和功分器输出孔25的两个金属焊盘一同构成了功分器的微带线部分，两种功分器的尺寸仅在功分器贴片27的长度和宽度上有区别，一分二功分器的功分器贴片27长度为4.8mm宽度为0.1mm，二分四功分器的功分器贴片27长度为2.4mm，宽度为0.5mm，两级功分器通过级联的方式构成了一分四功分器。图3(d)为波导转同轴结构的俯视图，其由两层刻蚀掉矩形的金属地板贴片以及一些金属孔和一个矩形金属耦合贴片构成，其中波导腔金属孔28直径为0.2mm，矩形耦合贴片29的长度为1.5mm，宽度为0.9mm，波导腔输出孔30与功分器的输入端相接，直径为0.2mm，上层金属地缺少处31可以看到上下两层金属贴片地板上刻蚀掉的部分宽度不同，下层的金属地板所刻蚀的矩形宽度为1.27mm，长度为2.54毫米，而上层金属地板所刻蚀掉的矩形宽度比下层宽了0.26mm，这样做的目的是因为此矩形腔体会形成电磁谐振，从而恶化天线的匹配性能，拓宽上层所刻蚀的矩形宽度可以将此谐振移至更低的频率，改善天线阵列的匹配性能。
本实施例中天线哑元阵列示意图如图4。图4(a)为添加哑元后的阵列辐射结构俯视图，其中哑元阵列32的位置在中心阵列两侧各1.95mm，哑元阵列仅保留原阵列的第1、2和3层结构，因为叉形馈电结构接地，所以略去其下层的金属结构部分。图4(b)为哑元阵列叉形馈线接地的变化示意图，接地点33为金属通孔，直径为0.2mm，在哑元阵列中使其与地板相接，再通过调整金属过孔到叉形馈线开口的部分24的长度，可以对其反相位进行调节，进而达到调整天线阵面相位分布的目的，来控制水平角度的3dB波束宽度。
图5给出了此天线的金属过孔到叉形馈线开口的部分24在不同长度情况下水平面增益方向图，可以看到随着金属过孔到叉形馈线开口的部分24的长度变长，天线的水平面3dB波束宽度也在逐渐变宽，可以根据自动驾驶MIMO雷达的需要选择合适的尺寸。
图6给出了此天线的回波损耗随频率变化图，并且包含金属过孔到叉形馈线开口的部分24在不同长度下的多种情况，金属过孔到叉形馈线开口的部分24对天线回波损耗性能影响较小，天线阵列在74.5～80GHz(甚至更高频率)都可以实现回波损耗小于10dB。
图7给出了此天线的金属过孔到叉形馈线开口的部分24＝0.45mm时的增益方向图，此时天线在水平面内的3dB波束宽度为-10.38°～9.47°，在垂直面内的3dB波束宽度为-52.42°～52.37°，符合自动驾驶MIMO雷达对天线的性能需求。
可以实现宽频带、高增益、水平面±50°～±55°的3dB波束宽度、垂直面±10°的3dB波束宽度。其特征在于：分为天线、功分器、波导转同轴结构三个部分；在于：天线部分由三层PCB板构成，最顶层的PCB板用于实现辐射，第二层和第三层PCB板用于耦合馈电；在于：功分器部分由四层PCB板构成，三个一分二功分器相接构成一分四功分器；在于：波导转同轴结构由两层PCB板构成，其尺寸可与WR-10波导相匹配。天线结构由改良的磁电偶极子构成，磁电偶极子辐射贴片中心相接可改善天线的阻抗匹配性能，拓宽天线的阻抗带宽。磁电偶极子周围存在由矩形环贴片和金属孔构成的围腔结构，围腔结构可以减少MIMO***中的其他组件对天线的耦合干扰，减少集成应用下电磁干扰对天线性能的恶化。磁电偶极子通过耦合馈电，由叉形微带线向H形开槽耦合电磁场，再耦合到磁电偶极子辐射结构上，通过耦合的方式可以改善天线的阻抗匹配性能，拓宽天线的阻抗匹配带宽，进而增大天线抵抗公差带来的误差的能力。磁电偶极子阵列在竖直方向上通过控制单元间距来实现了垂直面±10°的3dB波束宽度，这可以提高天线增益，增大自动驾驶MIMO雷达的探测距离。磁电偶极子阵列在水平方向的阵列两侧添加可调反射相位的哑元阵列，进而改变天线阵面的辐射相位分布，控制水平方向的3dB波束宽度在±50°～±55°，增大自动驾驶MIMO雷达的探测角度。磁电偶极子由一分四功分器馈电构成1×4阵列，一分四功分器由三个一分二功分器级联构成，一分二功分器采用了同轴转微带线的结构，占用水平空间小。为了进行测量，为天线阵列添加了波导转同轴结构，通过耦合的方式完成了波导场转化为微带场，再转化为同轴场，并完成了其中的阻抗变换，使天线得以完成测量。

Claims (2)

1.一种应用于自动驾驶雷达的磁电偶极子天线，该天线由下至上依次堆叠：第一层金属地、第一层介质板、第二层金属地、第一层半固化片、第三层金属地、第二层介质板、第二层半固化片、第四层金属地、第三层介质板、第三层半固化片、第五层金属地、第四层介质板、第四层半固化片、第六层金属地、第五层介质板；
第五层介质板上表面设置屏蔽腔金属环，该屏蔽腔金属环为环状贴片，屏蔽腔金属环对应位置均匀设置一圈屏蔽腔金属孔，用于连接屏蔽腔金属环与第六层金属地；屏蔽腔金属环的环状结构内设置多组磁电偶极子金属贴片，每组包括阵列为2×2的4个贴片，4个贴片相对的角相互连通，每个贴片对应位置设置一个磁电偶极子金属孔，用于连接贴片与第六层金属地；
所述第六层金属地上开设有耦合缝，一组磁电偶极子金属贴片对应一条耦合缝；
所述第四层介质板上表面设置有叉形微带馈线，一条耦合缝对应一个叉形微带馈线，叉形微带馈线包括U形耦合区和位于U形底部向U形开口的反方向凸起的馈电区，耦合缝的两端正好与耦合区U形结构的两臂重叠，馈电区对应位置设置馈线输入孔，用于连接位于第三层介质板上表面的第二功分器贴片；第五层金属地上开设有用于穿过馈线输入孔的金属孔，保证馈线输入孔不与第五层金属地接触；
所述第三层介质板上表面的多个第二功分器贴片，第二功分器贴片每个输出孔对应连接一个馈线输入孔；
所述第二层介质板上表面设置有一个第一功分器贴片，第一功分器贴片的每个输出孔对应连接一个第二功分器贴片的输入孔，且不与第四层金属地接触；第一功分器贴片只包括一个输入孔；
所述第一层金属地和第二层金属地开设有方形的空心区域，空心区域周围设置有一圈波导腔金属孔，该波导腔金属孔连通第一层金属地和第二层金属地；第二层金属地开设的空心区域尺寸大于第一层金属地上开设的空心区域；第二层金属地上空心区域内设置有矩形耦合贴片，矩形耦合贴片的边缘部设置波导腔输出孔，该波导腔输出孔与第一功分器贴片输入孔连接，并不与第三层金属地接触；
波导腔金属孔围成的区域为磁电偶极子天线的输入。
2.如权利要求1所述的一种应用于自动驾驶雷达的磁电偶极子天线，其特征在于，所述多组磁电偶极子金属贴片设置成一列，这一列磁电偶极子金属贴片的两侧各设置一列哑元阵列，该哑元阵列结构与磁电偶极子金属贴片相同，哑元阵列中每个磁电偶极子金属贴片对应一个耦合缝，再对应一个叉形微带馈线，但哑元阵列对应的叉形微带馈线的馈电区的馈线输入孔直接连接第五层金属地。
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