CN115332766A - 一种毫米波雷达相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波雷达相控阵天线，属于毫米波雷达天线技术领域，包括发射天线阵列、接收天线阵列；所述发射天线阵列、接收天线阵列通过上下表面均覆铜的上层微带板、上下表面均覆铜的下层微带板以及多个金属化过孔形成。本发明采用基片集成波导馈电，具有损耗小，加工简单，易于和有源芯片集成的优点；发射天线辐射腔上表面含有十字形贴片，提高了天线阵列波束扫描的范围，在合适的单元间距布阵下，具备大角度相扫能力；采用接地共面波导背面馈电，与有源芯片集成时，减小了有源芯片对天线阵列方向图的影响，具备较高的工程应用价值。

Description

一种毫米波雷达相控阵天线
技术领域
本发明涉及毫米波雷达天线技术领域，具体涉及一种毫米波雷达相控阵天线。
背景技术
随着车载射频芯片的迅猛发展，车载毫米波雷达开始向4D成像雷达升级迭代。4D成像雷达不仅可以输出目标距离、目标速度、目标水平角度而且还可以输出目标的高度信息。目标的高度信息能够帮助雷达区分天桥、井盖、行人、卡车等目标。4D成像雷达抗干扰能力强，角度、速度、距离分辨率高，目标分类与追踪能力高，在减少交通事故，提高车辆驾驶安全方面具有较为强大的功能。
车载毫米波雷达天线阵列的研究已有很多，如何设计一种结构简单，加工工艺要求低，易于集成的毫米波雷达天线非常具有挑战。为此，提出一种毫米波雷达相控阵天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何设计一种结构简单，加工工艺要求低，易于集成的毫米波雷达天线，提供了一种毫米波雷达相控阵天线。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括发射天线阵列、接收天线阵列；所述发射天线阵列、接收天线阵列通过上下表面均覆铜的上层微带板、上下表面均覆铜的下层微带板以及多个金属化过孔形成；
所述发射天线阵列包括多个平行设置的发射天线单元，所述发射天线单元包括第一矩形辐射腔与第一基片集成波导馈电结构，所述第一矩形辐射腔设置在所述上层微带板中，所述第一基片集成波导馈电结构设置在所述下层微带板中，对所述第一矩形辐射腔进行激励馈电；所述接收天线阵列包括多个接收天线单元，所述接收天线单元包括第二矩形辐射腔与第二基片集成波导馈电结构，所述第二矩形辐射腔设置在所述上层微带板中，所述第二基片集成波导馈电结构设置在所述下层微带板中，对所述第二矩形辐射腔进行激励馈电；
多个所述第一矩形辐射腔与多个第二矩形辐射腔在所述上层微带板的上表面形成口字形布阵形式。
更进一步地，所述第一矩形辐射腔、所述第二矩形辐射腔均包括多个辐射腔金属化过孔，所述辐射腔金属化过孔有两类，其中，两个矩形辐射腔长边的辐射腔金属化过孔贯穿上层微带板设置，其上下端与上层微带板上下表面覆铜连接，两个矩形辐射腔短边的辐射腔金属化过孔的贯穿上下两层微带板设置，其上端与上层微带板的上表面覆铜连接，下端与下层微带板的下表面覆铜连接；第一、第二辐射腔的矩形开口位于辐射腔金属化过孔内侧，上层微带板的上下表面对应位置均不覆铜。
更进一步地，所述接收天线单元的第二矩形辐射腔上表面中心设置有十字形的金属贴片。
更进一步地，所述第一基片集成波导馈电结构包括第一基片集成波导、横向偏置辐射缝、第一带地共面波导馈电线，所述第一基片集成波导设置在所述下层微带板中，所述横向偏置辐射缝设置在所述第一基片集成波导的一端，位于所述下层微带板的上表面，所述第一带地共面波导馈电线设置在所述第一基片集成波导的另一端，位于所述下层微带板的下表面。
更进一步地，所述横向偏置辐射缝沿平行于第一基片集成波导传输方向设置，所述横向偏置辐射缝位于所述第一矩形辐射腔的下表面中心处。
更进一步地，所述横向偏置辐射缝中心距离第一基片集成波导短路端3/4倍λg，λg为天线工作中心频率电磁波在第一基片集成波导中的传输波长。
更进一步地，所述第一带地共面波导馈电线与芯片管脚连接。
更进一步地，所述第二基片集成波导馈电结构包括第二基片集成波导、纵向辐射缝、第二带地共面波导馈电线，所述第二基片集成波导设置在所述下层微带板中，所述纵向辐射缝设置在所述第二基片集成波导的一端，位于所述下层微带板的上表面，所述第二带地共面波导馈电线设置在所述第二基片集成波导的另一端，位于所述下层微带板的下表面。
更进一步地，所述纵向辐射缝沿垂直于第二基片集成波导传输方向设置，所述纵向辐射缝位于所述第二矩形辐射腔的下表面中心处。
更进一步地，所述纵向辐射缝中心距离第二基片集成波导短路端1/4倍λg，λg为天线工作中心频率电磁波在第二基片集成波导中的传输波长。
更进一步地，所述第一基片集成波导馈电结构为水平排布，所述第二基片集成波导馈电结构为垂直排布。
更进一步地，所述第二带地共面波导馈电线与芯片管脚连接。
更进一步地，在所述上层微带板的上表面覆铜上辐射腔之外的区域，均覆盖与天线工作频率相同的吸波材料层。
本发明相比现有技术具有以下优点：该毫米波雷达相控阵天线，采用基片集成波导馈电，具有损耗小，加工简单，易于和有源芯片集成的优点；发射天线辐射组件上表面含有十字形贴片，提高了天线阵列波束扫描的范围，在合适的单元间距布阵下，具备车载雷达频段范围内大角度相扫能力；采用接地共面波导背面馈电，与有源芯片集成时，减小了有源芯片对天线阵列方向图的影响，具备较高的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中毫米波雷达相控阵天线的结构示意图；
图2(a)是图1中接收天线单元的立体结构图；
图2(b)是图1中接收天线单元的正视结构图；
图2(c)是图1中接收天线单元的侧视结构图；
图3(a)是图1中发射天线单元的立体结构图；
图3(b)是图1中发射天线单元的正视结构图；
图3(c)是图1中发射天线单元的侧视结构图；
图4为本发明实施例二中接收天线单元在第一层微带板上表面的覆铜图；
图5为本发明实施例二中接收天线单元在第一层微带板下表面的覆铜图；
图6为本发明实施例二中接收天线单元在第二层微带板上表面的覆铜图；
图7为本发明实施例二中接收天线单元在第二层微带板下表面的覆铜图；
图8为本发明实施例二中发射天线单元在第一层微带板上表面的覆铜图；
图9为本发明实施例二中发射天线单元在第一层微带板下表面的覆铜图；
图10为本发明实施例二中发射天线单元在第二层微带板下表面的覆铜图；
图11为本发明实施例二中发射天线单元在第二层微带板下表面的覆铜图；
图12(a)为本发明实施例二中接收天线阵列扫描0°下的有源驻波比示意图；
图12(b)为本发明实施例二中接收天线阵列扫描15°下的有源驻波比示意图；
图12(c)为本发明实施例二中接收天线阵列扫描30°下的有源驻波比示意图；
图12(d)为本发明实施例二中接收天线阵列扫描45°下的有源驻波比示意图；
图12(e)为本发明实施例二中接收天线阵列扫描60°下的有源驻波比示意图；
图13(a)为本发明实施例二中发射天线阵列扫描0°下的有源驻波比示意图；
图13(b)为本发明实施例二中发射天线阵列扫描15°下的有源驻波比示意图；
图13(c)为本发明实施例二中发射天线阵列扫描30°下的有源驻波比示意图；
图14(a)为本发明实施例二中在75GHz时接收天线阵列扫描不同角度增益图；
图14(b)为本发明实施例二中在78GHz时接收天线阵列扫描不同角度增益图；
图14(c)为本发明实施例二中在81GHz时接收天线阵列扫描不同角度增益图；
图15(a)为本发明实施例二中在75GHz时发射天线阵列扫描不同角度增益图；
图15(b)为本发明实施例二中在78GHz时发射天线阵列扫描不同角度增益图；
图15(c)为本发明实施例二中在81GHz时发射天线阵列扫描不同角度增益图。
图中：1-接收天线单元；2-发射天线单元；3-吸波材料层；4-接收天线单元矩形辐射腔；5-发射天线单元矩形辐射腔；6-接收天线SIW馈电线；7-发射天线SIW 馈电线；8-十字形金属贴片；9-圆形金属化过孔；10-纵向辐射缝；11-圆形金属化过孔；12-圆形金属化过孔；13-发射天线单元矩形辐射腔矩形开口；14-偏置辐射缝。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种技术方案：一种毫米波雷达相控阵天线，包括两列发射天线阵列和两行接收天线阵列，发射天线阵列和接收天线阵列均为相控阵天线，发射天线阵列波束具备俯仰向相控扫描能力，接收天线阵列波束具备方位向相控扫描能力。
如图1所示，在本实施例中，发射天线阵列和接收天线阵列采用相同的两层印制电路板(PCB)设计制作。发射天线单元矩形辐射腔5和接收天线单元矩形辐射腔4均位于第一层PCB，带辐射缝的基片集成波导(SIW)位于第二层PCB，并给第一层的矩形辐射腔进行激励馈电。发射天线SIW馈电线7、接收天线SIW 馈电线6的末端转为带地共面波导(GCPW)馈电线，以方便与芯片管脚互连。
在本实施例中，所述毫米波雷达相控阵天线采用“口”形布阵形式，发射天线为两列垂直的线阵，接收天线为两行平行的线阵，发射天线单元2及接收天线单元1的间距均需要满足相控阵扫描角度对天线单元间距的约束关系，
Figure RE-GDA0003886943850000051
d为天线单元间距，λ为天线工作波长，θ为扫描角度。
在本实施例中，若干发射天线单元与若干接收天线单元的辐射腔围成“口”形，调节发射天线线阵与接收天线线阵的位置关系，通过优化使得发射天线方向图栅瓣与接收天线方向图零点位置重合，从而抑制发射天线和接收天线合成方向图产生的高副瓣。“口”形布阵，可在较少的天线单元数量下，获得窄的合成波束，提高毫米波相控阵雷达分辨率。
在本实施例中，在第一层PCB的上表面，辐射腔之外的区域，均覆盖与天线工作频率相同的吸波材料层3。
在本实施例中，所述发射天线SIW馈电线7上刻蚀有横向辐射缝(沿平行于基片集成波导传输方向设置)且所述横向辐射缝中心距离基片集成波导短路端 1/4个λg，λg为天线工作中心频率电磁波在SIW中传输波长。
在本实施例中，所述发射天线单元矩形辐射腔5包括若干个第一辐射腔金属化过孔，第一辐射腔金属化过孔有两类，分别为较长的第一辐射腔金属化过孔91 (数量为6个，每组3个，构成短边)与较短的第一辐射腔金属化过孔(数量为4个，每组2个，构成短边)，见图3(a)，矩形辐射腔长边金属化孔(较长的第一辐射腔金属化过孔91)贯穿上层微带板，矩形辐射腔短边金属化孔(较短的第一辐射腔金属化过孔92)贯穿上下两层微带板。金属化孔的上下端和微带板上下表面覆铜连接，发射天线单元矩形辐射腔5开口位于第一辐射腔金属化过孔内侧，上下表面均不覆铜。
在本实施例中，发射天线SIW馈电线7上的横向辐射缝为水平偏置辐射缝，且横向辐射缝位于矩形辐射腔下表面中心处，辐射缝中心距离基片集成波导短路端3/4倍λg，λg为天线工作中心频率电磁波在SIW中传输波长。
在本实施例中，所述接收天线单元矩形辐射腔4包括若干个第二辐射腔金属化过孔，金属化过孔有两类，分别为较长的第二辐射腔金属化过孔(数量为6个，每组3个，构成两个短边)与较短的第二辐射腔金属化过孔(数量为6个，每组 2个，构成两个短边)，见图2(a)，矩形辐射腔长边金属化孔(较长的第二辐射腔金属化过孔)贯穿上层微带板，矩形辐射腔短边金属化孔(较短的第二辐射腔金属化过孔)贯穿上下两层微带板。金属化孔的上下端和微带板上下表面覆铜连接，发射天线单元矩形辐射腔4开口位于第二辐射腔金属化过孔内侧，上下表面均不覆铜。发射天线单元矩形辐射腔4中的长边和短边与发射天线单元矩形辐射腔5的长边和短边位置对应。
在本实施例中，接收天线单元矩形辐射腔4的上表面中心设置有一个十字形的金属贴片。
在本实施例中，接收天线SIW馈电线6上刻蚀有纵向辐射缝(沿垂直于基片集成波导传输方向设置)，纵向辐射缝为水平辐射缝，位于接收天线单元矩形辐射腔4的下表面中心处，
纵向辐射缝中心距离基片集成波导短路端1/4倍λg，λg为天线工作中心频率电磁波在基片集成波导中传输波长。
在本实施例中，发射天线SIW馈电线7为水平排布，接收天线SIW馈电线 6为垂直排布。
在本实施例中，构成辐射腔及基片集成波导的金属化过孔尽量密布。
实施例二
本实施例提供了一种工作在75-81GHz的毫米波雷达天线阵列作为示例。它包含了2层Rogers3003的微带板，从上至下，第一层厚度为0.508mm，第二层厚度为0.254mm,第一层两面覆铜，厚度为17.5um；第二层两面覆铜，厚度为17.5um，两微带板采用厚度为0.1mm的半固化片粘合。如图1所示，天线阵列包含2列发射天线，每列包含8个发射天线单元。天线阵列包含2行接收天线，每行包含16个发射天线单元。发射天线单元和接收天线单元均对应4个覆铜图层，第一层上表面覆铜厚度17.5um,下表面不覆铜；第二层两面覆铜厚度17.5um。从上向下看，每层覆铜图案如图4-9所示，其中阴影部分为覆铜区。
图4-9中给出了天线阵列尺寸参数，单位为mm。
实施案例的毫米波雷达天线阵列，具备相位扫描的能力，发射天线阵列可实现±60°波束扫描，接收天线阵列可实现±30°波束扫描。经仿真计算，天线阵列的驻波和增益图如图10-13所示。在75GHz-81GHz内，发射天线阵列在扫描45°范围内时驻波比都小于2，扫描60°时驻波比也小于了3；接收天线阵列在扫描±30°范围内时驻波比都小于2。发射天线阵列和接收天线阵列均满足相扫的间距要求，方向图没有栅瓣出现。
综上所述，上述实施例的毫米波雷达相控阵天线，采用基片集成波导馈电，具有损耗小，加工简单，易于和有源芯片集成的优点；发射天线辐射组件上表面含有十字形贴片，提高了天线阵列波束扫描的范围，在合适的单元间距布阵下，具备车载雷达频段范围内大角度相扫能力；采用接地共面波导背面馈电，与有源芯片集成时，减小了有源芯片对天线阵列方向图的影响，具备较高的工程应用价值。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于，包括：发射天线阵列、接收天线阵列；所述发射天线阵列、接收天线阵列通过上下表面均覆铜的上层微带板、上下表面均覆铜的下层微带板以及多个金属化过孔形成；
所述发射天线阵列包括多个平行设置的发射天线单元，所述发射天线单元包括第一矩形辐射腔与第一基片集成波导馈电结构，所述第一矩形辐射腔设置在所述上层微带板中，所述第一基片集成波导馈电结构设置在所述下层微带板中，对所述第一矩形辐射腔进行激励馈电；所述接收天线阵列包括多个接收天线单元，所述接收天线单元包括第二矩形辐射腔与第二基片集成波导馈电结构，所述第二矩形辐射腔设置在所述上层微带板中，所述第二基片集成波导馈电结构设置在所述下层微带板中，对所述第二矩形辐射腔进行激励馈电；所述多个发射天线第一矩形辐射腔与多个接收天线第二矩形辐射腔在所述上层微带板的上表面形成口字形布阵形式。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于：所述第一矩形辐射腔、所述第二矩形辐射腔均包括多个辐射腔金属化过孔，所述辐射腔金属化过孔有两类，其中，两个矩形辐射腔长边的辐射腔金属化过孔贯穿上层微带板设置，其上下端与上层微带板上下表面覆铜连接，两个矩形辐射腔短边的辐射腔金属化过孔的贯穿上下两层微带板设置，其上端与上层微带板的上表面覆铜连接，下端与下层微带板的下表面覆铜连接；第一、第二辐射腔的矩形开口位于辐射腔金属化过孔内侧，上层微带板的上下表面对应位置均不覆铜。
3.根据权利要求2所述的一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于：所述接收天线单元的第二矩形辐射腔上表面中心设置有十字形的金属贴片。
4.根据权利要求3所述的一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于：所述第一基片集成波导馈电结构包括第一基片集成波导、横向偏置辐射缝、第一带地共面波导馈电线，所述第一基片集成波导设置在所述下层微带板中，所述横向偏置辐射缝设置在所述第一基片集成波导的一端，位于所述下层微带板的上表面，所述第一带地共面波导馈电线设置在所述第一基片集成波导的另一端，位于所述下层微带板的下表面。
5.根据权利要求4所述的一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于：所述第一基片集成波导横向偏置辐射缝沿平行于第一基片集成波导传输方向设置，所述横向偏置辐射缝位于所述第一矩形辐射腔的下表面中心处。
6.根据权利要求5所述的一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于：所述横向偏置辐射缝中心距离第一基片集成波导短路端距离为3/4倍λg，λg为天线工作中心频率电磁波在第一基片集成波导中的传输波长。
7.根据权利要求6所述的一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于：所述第二基片集成波导馈电结构包括第二基片集成波导、纵向辐射缝、第二带地共面波导馈电线，所述第二基片集成波导设置在所述下层微带板中，所述纵向辐射缝设置在所述第二基片集成波导的一端，位于所述下层微带板的上表面，所述第二带地共面波导馈电线设置在所述第二基片集成波导的另一端，位于所述下层微带板的下表面。
8.根据权利要求7所述的一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于：所述纵向辐射缝沿垂直于第二基片集成波导传输方向设置，所述纵向辐射缝位于所述第二矩形辐射腔的下表面中心处。
9.根据权利要求8所述的一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于：所述纵向辐射缝中心距离第二基片集成波导短路端1/4倍λg，λg为天线工作中心频率电磁波在第二基片集成波导中的传输波长。
10.根据权利要求9所述的一种毫米波雷达相控阵天线，其特征在于：在所述上层微带板的上表面覆铜层上辐射腔之外的区域，均覆盖与天线工作频率相同的吸波材料层。
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