CN115296014B - 一种基于pcb工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列 - Google Patents
一种基于pcb工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于PCB工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列，所述毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列由周期排布的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线单元组成，所述天线单元由多层介质基板组成，利用金属贴片和金属化过孔构造基片集成波导结构，从而拓展了天线带宽，增大了扫描角度。天线单元工作时，由最底层的共面波导馈电线馈电，经接地共面波导‑带状线‑波导转换结构，电磁波传输至基片集成波导形式的波导功分器，最后将电磁波一分为四，并通过最顶层的四个波导辐射口辐射出去，增大了天线增益，该天线阵列采用工艺成熟、使用广泛的PCB工艺，制造成本大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波雷达技术领域，具体涉及一种77GHz毫米波相控阵雷达天线阵列。
背景技术
毫米波雷达由于具有频率高、波长短、频带宽、体积小、重量轻等特点，被广泛应用于雷达探测、高速通信、导弹制导、卫星遥感、汽车雷达等诸多领域。由于毫米波的波长相对较短，尤其是在77GHz频段，对器件的加工精度要求很高，因此常常采用低温共烧陶瓷(LowTemperature Co-fired Ceramic，LTCC)工艺。该工艺利用陶瓷绝缘材料印刷电路图形，将集成多个器件的介质基板叠压在一起进行共烧，从而制成多功能模块，其具有高频性能优异、热稳定性好和易于集成等优势。然而LTCC制备方法复杂，所需时间长，组分容易挥发导致性能劣化和不稳定，同时由于采用了玻璃工艺与陶瓷工艺相结合的方法，使得材料制备工艺的整体成本较高，造价昂贵，大大制约其应用范围与前景。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于PCB工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：包括多个呈周期排布的天线单元，所述天线单元包括多层介质基板、馈电单元、波导功分器和辐射单元，每层所述介质基板的上下表面均设置有金属贴片，所述介质基板的内部设置有多个金属化过孔，所述金属化过孔连接介质基板上下表面的金属贴片，所述馈电单元位于底层的介质基板上，所述辐射单元位于顶层的介质基板上，所述波导功分器位于其余的介质基板上，所述馈电单元与波导功分器电性连接，所述波导功分器与辐射单元电性连接。
进一步的，所述馈电单元包括共面波导馈电线和带状传输线，所述带状传输线位于共面波导馈电线的上方，所述共面波导馈电线与带状传输线通过金属化过孔电性连接。
进一步的，所述共面波导馈电线包括短金属导体和第二不规则缝隙，所述第二不规则缝隙包括弧形缝隙和条形缝隙，所述条形缝隙的两侧设有凹口，所述条形缝隙的顶部与弧形缝隙相连接，所述短金属导体的一端位于弧形缝隙内，所述短金属导体的一端连接金属化过孔的底端，所述短金属导体的另一端为馈电端口，所述短金属导体的另一端位于条形缝隙内。
进一步的，所述带状传输线包括长金属导体和第一不规则缝隙，所述第一不规则缝隙包括横向缝隙和纵向缝隙，所述横向缝隙与纵向缝隙连接为T形结构，所述长金属导体的一端位于纵向缝隙内，所述长金属导体与所述金属化过孔的顶端连接，所述长金属导体的另一端位于横向缝隙内。
进一步的，所述天线单元还包括波导腔，所述波导腔与带状传输线电性连接。
进一步的，所述波导功分器包括第一耦合缝隙、第一级传输通道、第二耦合缝隙、第二级传输通道和第三级传输通道，所述第一耦合缝隙位于波导腔与第一级传输通道之间，所述第二耦合缝隙位于第一级传输通道与第二级传输通道之间，所述波导腔与第一级传输通道通过所述第一耦合缝隙耦合连接，所述第一级传输通道与第二级传输通道通过所述第二耦合缝隙耦合连接，所述第二级传输通道与第三级传输通道电性连接。
进一步的，所述辐射单元包括多个波导辐射口，所述波导辐射口为矩形。
进一步的，多层所述介质基板之间设置有用于将相邻介质基板粘连的半固化片。
进一步的，所述金属贴片和金属化过孔的材料为金、银、铜的任一种或多种组合。
进一步的，所述介质基板的材料选自Rogers 3003、Rogers4835IND、Laminate R-5775、Prepreg R-5670中的任一种。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
选用介质基板为天线基板，通过在金属贴片上刻蚀的矩形缝隙和金属化过孔来构建阶梯式变化的基片集成波导结构，结合接地共面波导-带状线-波导转换结构，拓宽了天线工作带宽，同时具备一维宽角扫描能力；采用工艺成熟、使用广泛的PCB工艺，制造成本大大降低。
附图说明
图1为本发明实例所公开的天线阵列的结构示意图；
图2为本发明实例所公开的天线阵列的单元结构示意图；
图3为本发明实例所公开的天线阵列的单元结构***图；
图4为本发明实例所公开的天线阵列的单元侧视图；
图5为本发明实例所公开的天线单元的第一、二层示意图；
图6为本发明实例所公开的天线单元的第三层示意图；
图7为本发明实例所公开的天线单元的第四、五层示意图；
图8为本发明实例所公开的天线单元的第六层示意图；
图9为本发明实例所公开的天线单元的第七层示意图；
图10为本发明实例所公开的天线单元的第八、九层示意图；
图11为本发明实例所公开的天线单元的第十层示意图；
图12为本发明实例所公开的天线单元的第十一层示意图；
图13为本发明实例所公开的天线单元的第十二层示意图；
图14为本发明实例所公开的天线单元的第十三层示意图；
图15为本发明实例所公开的天线单元的第十四层示意图；
图16为本发明实例所公开的天线单元的有源驻波的仿真结果；
图17为本发明实例所公开的天线阵列的77GHz扫描方向图仿真结果。
图中数字表示：
101-第一层金属贴片；102-第二层金属贴片；103-第三层金属贴片；104-第四层金属贴片；105-第五层金属贴片；106-第六层金属贴片；107-第七层金属贴片；108-第八层金属贴片；109-第九层金属贴片；110-第十层金属贴片；111-第十一层金属贴片；112-第十二层金属贴片；113-第十三层金属贴片；114-第十四层金属贴片；115-长金属导体；116-短金属导体；201-第一介质基板；202-第二介质基板；203-第三介质基板；204-第四介质基板；205-第五介质基板；206-第六介质基板；207-第七介质基板；301-第一金属化过孔；302-第二金属化过孔；303-第三金属化过孔；304-第四金属化过孔；305-第五金属化过孔；306-第六金属化过孔；307-第七金属化过孔307；401-第一矩形缝隙；402-第二矩形缝隙；403-第三矩形缝隙；404-第四矩形缝隙；405-第五矩形缝隙；406-第一不规则缝隙；407-第二不规则缝隙；601-第一半固化片；602-第二半固化片；603-第三半固化片；604-第四半固化片；605-第五半固化片；606-第六半固化片
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
在本实施例中，如图1所示，一种基于PCB工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列包括多个天线单元，多个所述天线单元呈周期排布。
如图2、图3所示，所述天线单元自上而下有七层介质基板，每层介质基板的上下表面均设置有金属贴片，共十四层金属贴片，天线单元包括六种金属化过孔，所述金属化过孔设置于所述介质基板内部，每种金属化过孔贯穿一层或多层介质基板，每层金属贴片上设置有缝隙，整个天线单元共有6种缝隙，分布在不同层数的金属贴片上，所述金属贴片和金属化过孔构建了基片集成波导结构，从而拓宽了天线的工作带宽，增大了扫描角度。
如图4所示，7层介质基板自上而下分别为第一介质基板201、第二介质基板202、第三介质基板203、第四介质基板204、第五介质基板205、第六介质基板206和第七介质基板207；天线单元顶层的介质基板为第一介质基板201，最底层的介质基板为第七介质基板207，所述介质基板之间设置有用于将多层介质基板堆叠粘连的半固化片，天线单元包括6层半固化片，自上而下分别为第一半固化片601、第二半固化片602、第三半固化片603、第四半固化片604、第五半固化片605和第六半固化片606；所述第一半固化片601位于第一介质基板201与第二介质基板202之间，第二半固化片602位于第二介质基板202与第三介质基板203之间，第三半固化片603位于第三介质基板203与第四介质基板204之间，第四半固化片604位于第四介质基板204与第五介质基板205之间，第五半固化片605位于第五介质基板205与第六介质基板206之间，第六半固化片606位于第六介质基板206与第七介质基板207之间，半固化片可用于将堆叠有金属贴片的介质基板粘贴固化在一起，增强天线阵列的稳定性。
所述天线单元长度为10mm，宽度为1.9mm，高度为1.87mm。
所述介质基板的材料为Rogers 3003，还可以是Rogers4835IND、Laminate R-5775、Prepreg R-5670，所述介质基板的介电常数为3.0，损耗角正切为0.0013。
每层介质基板均为矩形，每层介质基板长度均为10mm，宽度均为1.9mm，第一介质基板201的厚度大于其他的介质基板的厚度，其他的介质基板的厚度大小相同，所述第一介质基板201厚度为0.508mm，第二介质基板202-第七介质基板207的厚度均为0.127mm。
所述第一半固化片601-第六半固化片606的材料为Rogers 4450，介电常数为3.54，损耗角正切为0.0043，长度为10mm，宽度为1.9mm，厚度为0.1mm。
所述金属贴片和金属化过孔的材料为金、银、铜的任一种或多种组合。
天线单元包括6种金属化过孔，所述6种金属化过孔长短不一，每种所述金属化过孔贯穿于一层或多层所述介质基板中，自上而下分别为第一金属化过孔301、第二金属化过孔302、第三金属化过孔303、第四金属化过孔304、第五金属化过孔305、第六金属化过孔306；所述第一金属化过孔301贯穿第一介质基板201-第七介质基板207和第一半固化片601-第六半固化片606，第一金属化过孔301直径为0.41mm，高度为1.87mm，两个第一金属化过孔301间距为0.66mm。所述第二金属化过孔302贯穿介质基板201，直径为0.2mm，高度为0.508mm，两个第二金属化过孔302间距为0.38mm。所述第三金属化过孔303贯穿第一介质基板201、第一半固化片601、第二介质基板202、第二半固化片602和第三介质基板203，第三金属化过孔303的直径为0.2mm，高度为0.962mm，两个第三金属化过孔303的间距为0.38mm。所述第四金属化过孔304贯穿第四介质基板204、第五介质基板205和第四半固化片604，第四金属化过孔304的直径为0.2mm，高度为0.354mm，两个第四金属化过孔304的间距为0.38mm。所述第五金属化过孔305贯穿第六介质基板206、第七介质基板207和第六半固化片606，直径为0.2mm，高度为0.354mm，两个第五金属化过孔305的间距为0.38mm，所述第六金属化过孔306贯穿第七介质基板207，直径为0.2mm，高度为0.127mm。
第一层金属贴片101-第十四层金属贴片114均为矩形形状。
如图5所示，第一层金属贴片101为波导辐射口的金属层，位于第一介质基板201的顶层。所述第一层金属贴片101沿长度方向设置有四个第一矩形缝隙401。每个第一矩形缝隙401的左侧均设置有若干个第三金属化过孔303，第一矩形缝隙401的右侧均设置有若干个第二金属化过孔302，第三金属化过孔303与第二金属化过孔302呈纵向排布。
第二层金属贴片102为波导辐射口的金属层，位于第一介质基板201的底层，第二层金属贴片102与第一层金属贴片101完全相同。
如图6所示，第三层金属贴片103为波导功分器的第三级传输通道的金属层，位于第二介质基板202的顶层。第三层金属贴片103沿长度方向设置有四个第一矩形缝隙401。
如图7所示，第四层金属贴片104、第五层金属贴片105为波导功分器的第二级传输通道的金属层，分别位于第二介质基板202的顶层与底层。所述第四层金属贴片104上设置有两个第二矩形缝隙402，所述第五层金属贴片105与第四层金属贴片104完全相同。第二矩形缝隙402的两侧均设置有若干个第三金属化过孔303，若干个第三金属化过孔303呈纵向排布。
如图8所示，第六层金属贴片106位于第三介质基板203的底层。所述第六层金属贴片106上设置有两个第三矩形缝隙403。
如图9所示，第七层金属贴片107位于第四介质基板204的顶层。第七层金属贴片107上设置有两个第三矩形缝隙403。
如图10所示，所述第八层金属贴片108、第九层金属贴片109为波导功分器的第一级传输通道的金属层，第八层金属贴片108位于第四介质基板204的底层，第九层金属贴片109位于第五介质基板205的顶层。所述第八层金属贴片108和第九层金属贴片109的中部设置有一个第四矩形缝隙404，第四矩形缝隙404的两侧均设置有若干个第四金属化过孔304，若干个第四金属化过孔304呈纵向排布。
如图11所示，所述第十层金属贴片110位于第五介质基板205的底层。所述第十层金属贴片110上设置有一个第五矩形缝隙405。第五矩形缝隙405的左侧设置有若干个呈纵向排布的第五金属化过孔305，第五矩形缝隙405的右侧设置有两排横向排布的第五金属化过孔305。
如图12所示，所述第十一层金属贴片111位于第六介质基板206的顶层，所述第十一层金属贴片111同时也为下方的带状传输线的金属地，所述第十一层金属贴片111的中部设置有一个第五矩形缝隙405。
如图13所示，所述第十二层金属贴片112位于第六介质基板206的底层，所述第十二层金属贴片112设置有第一不规则缝隙406。所述第一不规则缝隙406包括横向缝隙和纵向缝隙，所述横向缝隙与纵向缝隙连接为T形结构，所述第十二层金属贴片112同时也为下方的带状传输线的金属地。
如图14所示，所述第十三层金属贴片113包含带状传输线和共面波导馈电线的金属地，第十三层金属贴片113位于第七介质基板207的顶层。所述第十三层金属贴片113上设置有第一不规则缝隙406，所述第一不规则缝隙406的中间设有长金属导体115，所述长金属导体115的顶部设置有第六金属化过孔306，所述长金属导体115的一端与第六金属化过孔306的顶端相连，长金属导体115的另一端位于横向缝隙内，所述共面波导馈电线的金属地同时也为上方带状传输线的金属地。
如图15所示，所述第十四层金属贴片114包含共面波导馈电线以及共面波导馈电线的金属地，所述第十四层金属贴片114设置有第二不规则缝隙407，所述第二不规则缝隙407包括弧形缝隙和条形缝隙，条形缝隙两侧设有凹口，所述第二不规则缝隙407中设有与其形状一致的短金属导体116。所述短金属导体116的一端与第六金属化过孔306的底端相连，所述短金属导体116的另一端位于条形缝隙内，作为馈电端口与外部馈电单元连接。
如图16所示，所述天线单元的工作频段为76.4GHz-81.7GH，在0°-60°的扫描范围内，频带内的有源驻波均小于3.0。
如图17所示，当所述天线阵列分别扫描至0°、30°、60°时，所述天线阵列的扫描方向图的波束峰值分别位于0°、29°、57°，符合阵列天线波束形状特征，可以实现最大60°的宽角扫描。
所述天线单元包括馈电单元、波导功分器、辐射单元，所述馈电单元位于第七层介质基板上，所述辐射单元位于第一介质基板上，波导功分器位于其余的介质基板上，所述馈电单元与波导功分器之间电性连接，所述波导功分器与辐射单元之间电性连接。如图3所示，所述馈电单元包括共面波导馈电线、带状传输线，所述带状传输线位于共面波导馈电线的上方，位于最底层的介质基板上设置有第六金属化过孔306，所述共面波导馈电线与带状传输线通过第六金属化过孔306电性连接。所述第十一层金属贴片111、第十二层金属贴片112、第十三层金属贴片113、第十四层金属贴片114、长金属导体115以及第一金属化过孔301、第五金属化过孔305共同组成带状传输线。所述第十四层金属贴片114和短金属导体116与第七层介质基板207以及第六金属化过孔306组成共面波导馈电线。所述第一不规则缝隙406的横向缝隙、第十四层金属贴片114、第十一层金属贴片111、第一金属化过孔301、第五金属化过孔305共同组成波导腔结构。所述共面波导馈电线将电流通过第六金属化过孔306传输至上方的带状传输线，所述带状传输线将从第六金属化过孔306传输上来的电流传输至由横向缝隙组成的波导腔内。所述波导-带状线-接地共面波导转换结构即由上述波导腔、带状传输线和共面波导馈电线组合而成。
所述波导功分器包括第一耦合缝隙、第一级传输通道、第二耦合缝隙、第二级传输通道和第三级传输通道，所述第一耦合缝隙位于波导腔与第一级传输通道之间，所述第二耦合缝隙位于第一级传输通道与第二级传输通道之间，所述波导腔与第一级传输通道通过所述第一耦合缝隙耦合连接，所述第一级传输通道与第二级传输通道通过所述第二耦合缝隙耦合连接，所述第二级传输通道与第三级传输通道电性连接。
所述第八金属贴片108、第九金属贴片109、第四矩形缝隙404，以及第四金属化过孔304、第一金属化过孔301共同组成波导功分器的第一级传输通道。所述第十层金属贴片110、第十一层金属贴片111上的第五矩形缝隙405为第一耦合缝隙，所述第一耦合缝隙位于第一级传输通道与波导腔之间，所述第一耦合缝隙将电磁场从波导腔结构内耦合传输至所述功分器第一级传输通道内。
所述第五层金属贴片105、第四层金属贴片104、第二矩形缝隙402、金属化过孔303、301共同组成基片集成波导形式的波导功分器的第二级传输通道；所述第七层金属贴片107、第六层金属贴片106上的第三矩形缝隙403为第二耦合缝隙，所述第二耦合缝隙位于第一级传输通道与第二级传输通道之间，所述第二耦合缝隙将电磁场从第一级传输通道传输至所述第二级传输通道内。
所述第三层金属贴片103、第一矩形缝隙401、第三金属化过孔303以及第一金属化过孔301共同组成波导功分器的第三级传输通道。所述第三级传输通道与第二级传输通道直接相连，电磁场可直接从第二级传输通道传输至第三级传输通道。
所述第一层金属贴片101、第二层金属贴片102、第一矩形缝隙401、第三金属化过孔303、第二金属化过孔302、第一金属化过孔301共同组成四个波导辐射口。所述波导辐射口与第三级传输通道直接相连，从而将从第三级传输通道传输来的电磁波经波导辐射口辐射出去。
天线工作过程：天线单元由共面波导馈电线的馈电端口进行馈电，将电流经第六金属化过孔306传输至带状传输线，随后电流经带状传输线传输至波导腔产生电磁波，第一耦合缝隙将电磁波从下方的波导腔内耦合至波导功分器的第一级传输通道内，所述第一级传输通道内的电磁波通过第二耦合缝隙耦合传输至第二级传输通道，所述第三级传输通道与第二级传输通道直接相连，电磁场可直接从第二级传输通道传输至第三级传输通道，所述波导辐射口与第三级传输通道直接相连，从第三级传输通道传输来的电磁波一分为四通过最顶层的四个波导辐射口辐射出去，增大了天线增益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于PCB工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列，其特征在于，包括多个呈周期排布的天线单元，所述天线单元包括馈电单元、波导功分器、辐射单元和多层介质基板，每层所述介质基板的上下表面均设置有金属贴片，所述介质基板的内部设置有多个金属化过孔，所述金属化过孔连接介质基板上下表面的金属贴片，所述馈电单元位于底层的介质基板上，所述辐射单元位于顶层的介质基板上，所述波导功分器位于其余的介质基板上，所述馈电单元与波导功分器电性连接，所述波导功分器与辐射单元电性连接；
所述馈电单元包括共面波导馈电线和带状传输线，所述带状传输线位于共面波导馈电线的上方，所述共面波导馈电线与带状传输线通过金属化过孔电性连接；
所述共面波导馈电线包括短金属导体和第二不规则缝隙，所述第二不规则缝隙包括弧形缝隙和条形缝隙，所述条形缝隙的两侧设有凹口，所述条形缝隙的顶部与弧形缝隙相连接，所述短金属导体的一端位于弧形缝隙内，所述短金属导体的一端连接金属化过孔的底端，所述短金属导体的另一端为馈电端口，所述短金属导体的另一端位于条形缝隙内；
所述天线单元还包括波导腔，所述波导腔与带状传输线电性连接；
所述波导功分器包括第一耦合缝隙、第一级传输通道、第二耦合缝隙、第二级传输通道和第三级传输通道，所述第一耦合缝隙位于波导腔与第一级传输通道之间，所述第二耦合缝隙位于第一级传输通道与第二级传输通道之间，所述波导腔与第一级传输通道通过所述第一耦合缝隙耦合连接，所述第一级传输通道与第二级传输通道通过所述第二耦合缝隙耦合连接，所述第二级传输通道与第三级传输通道电性连接。
2.如权利要求1所述的基于PCB工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列，其特征在于，所述带状传输线包括长金属导体和第一不规则缝隙，所述第一不规则缝隙包括横向缝隙和纵向缝隙，所述横向缝隙与纵向缝隙连接为T形结构，所述长金属导体的一端位于纵向缝隙内，所述长金属导体与所述金属化过孔的顶端连接，所述长金属导体的另一端位于横向缝隙内。
3.如权利要求1所述的基于PCB工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列，其特征在于，所述辐射单元包括多个波导辐射口，所述波导辐射口为矩形。
4.如权利要求1所述的基于PCB工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列，其特征在于，多层所述介质基板之间设置有用于将相邻介质基板粘连的半固化片。
5.如权利要求1所述的基于PCB工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列，其特征在于，所述金属贴片和金属化过孔的材料为金、银、铜的任一种或多种组合。
6.如权利要求1所述的基于PCB工艺的毫米波宽角扫描相控阵雷达天线阵列，其特征在于，所述介质基板的材料选自Rogers 3003、Rogers4835IND、Laminate R-5775、Prepreg R-5670中的任一种。
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