CN116722349B - 天线结构及雷达设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线结构及雷达设备。天线结构包括：辐射单元和馈线；辐射单元与馈线连接，馈线沿第一方向延伸；所述辐射单元包括第一辐射部和第二辐射部，所述第一辐射部沿所述第一方向具有相对的第一侧边和第二侧边，所述第二辐射部与所述第一侧边或第二侧边连接。本发明通过将辐射单元设置为第一辐射部和第二辐射部，并且第二辐射部设置在第一辐射部沿第一方向上的第一侧边或第二侧边，通过该辐射单元连接形成的天线，其具有宽波束且在大角度波束增益较高的特点，以代替传统两个天线通过功分器赋形的效果。在尺寸上相当于传统的单个天线，从而节省了整个雷达体积，并且更小的体积便于雷达天线结构具有更多排布方式。

Description

天线结构及雷达设备

技术领域

本发明涉及车载雷达技术领域，尤其涉及天线结构及雷达设备。

背景技术

近年来，随着人们生活质量的提高和交通行业的日益发达，汽车己经成为人们生活中必不可少的出行工具，汽车的使用得到大量普及。汽车在生活中的使用给人们带来极大的便利，同时也给道路造成一定的负担，交通事故频繁发生。为了降低交通事故数量为广大驾驶员提供一个相对健康的驾驶环境，智能辅助驾驶的技术也正在不断发展，其中ADAS(高级驾驶辅助***)起着不可或缺的作用。ADAS 可通过最大限度降低人为错误来提高道路交通安全性。一些 ADAS ***会在出现不安全的路况时（例如驾驶员盲点处出现一辆车，导致变道可能发生危险时）发出警示，从而强制驾驶员执行安全驾驶习惯。还有一些 ADAS***实现了驾驶行为的自动化，如通过自主紧急制动避免碰撞。事实上，根据波士顿咨询公司的一项研究，在美国ADAS 可预防 28% 的车祸，每年避免 9900 起死亡。

在整个ADAS***中毫米波雷达作为主要的传感器起着至关重要的作用。毫米波雷达具有频带宽、波长短、波束窄、重量轻、分辨力强和穿透性强等特点。与微波相比，毫米波雷达分辨力高，结构轻便小巧；与红外和可见光相比，毫米波雷达穿透性更强，受气候的影响较小，能保证雷达在雨雪暴风、烟尘等恶劣环境中正常检测，具有全天候全时工作的特性。毫米波雷达在汽车上的应用分为前向雷达和角雷达，前向雷达主要是用于自主紧急制动（AEB）和自适应巡航控制（ACC）的中远程雷达应用，角雷达（包括前向角雷达和后向角雷达）通常是短距离雷达，可满足盲区检测（BSD），变道辅助（LCA）和前后交通警报（F / RCTA）的要求。相比前向雷达角雷达在车上应用的数量更多。

现在的毫米波雷达多采用微带贴片天线印刷在高频PCB板材上构成阵列天线来实现天线需求。其中角雷达因为其FOV(视场角)较大需满足±75°上仍有较高的增益，单个线阵天线满足不了设计需求，故通常设计方案采用两个单线阵通过功分器分配不同的功率和相位完成波束赋形来满足天线的需求。这种天线的设计就导致了单个发射或接收天线尺寸较大限制毫米波雷达天线结构的排布，造成性能上的限制，同时因为单个天线尺寸较大有些时候也会使整个雷达体积有所增加，从而导致了成本的提升。

发明内容

本发明提供了一种天线结构及雷达设备能有效解决目前单个线阵天线满足不了已有设计需求，故通常设计方案采用两个单线阵通过功分器分配不同的功率和相位完成波束赋形来满足天线的需求，但采用两个单天线组成的天线单元体积较大，同时体积较大限制雷达天线结构的排布，造成雷达性能上的限制的问题。

根据本发明的一方面，提供一种天线结构，所述天线结构包括：所述辐射单元与馈线连接，所述馈线沿第一方向延伸；所述辐射单元包括第一辐射部和第二辐射部，所述第一辐射部沿所述第一方向具有相对的第一侧边和第二侧边，所述第二辐射部与所述第一侧边或第二侧边连接。

进一步地，所述第一辐射部具有缝隙，所述缝隙沿第二方向贯穿所述第一辐射部。

进一步地，所述缝隙呈矩形。

进一步地，所述天线结构还包括阻抗匹配结构，所述阻抗匹配结构通过所述馈线与所述辐射单元连接。

进一步地，在同一所述辐射单元中，沿第一方向，所述第一辐射部相对于第二辐射部更靠近所述阻抗匹配结构。

进一步地，在同一所述辐射单元中，沿第一方向，所述第二辐射部相对于第一辐射部更靠近所述阻抗匹配结构。

进一步地，所述第二辐射部呈四边形。

进一步地，所述第一侧边在第一方向上的宽度为W，所述W等于所述馈线的宽度。

进一步地，所述第二辐射部与所述第一辐射部连接的中点位置到所述第一辐射部两端的距离相等。

根据本发明的一方面，提供一种雷达设备，所述雷达设备包括本发明任一实施例所述的天线结构。

本发明的有益效果，本发明通过将辐射单元设置为第一辐射部和第二辐射部，并且第二辐射部设置在第一辐射部沿第一方向上的第一侧边或第二侧边，通过该辐射单元连接形成的天线，其具有宽波束且在大角度波束增益较高的特点，以代替传统两个天线通过功分器赋形的效果。在尺寸上相当于传统的单个天线，从而节省了整个雷达体积，并且更小的体积便于雷达天线结构具有更多排布方式，更好的提升雷达的性能。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本发明实施例一提供的天线结构的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的实施例一和实施例二的辐射单元的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的实施例一和实施例二的S11曲线图。

图4为本发明实施例提供的实施例一和实施例二的方位面仿真方向图。

图5为本发明实施例提供的实施例一和实施例二的俯仰面仿真方向图。

图6为本发明实施例二提供的天线结构的结构示意图。

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，本领域技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，为本发明实施例一提供的天线结构的结构示意图，所述包括：辐射单元1和馈线2。

示例性地，所述辐射单元1与馈线2连接，所述馈线2沿第一方向X延伸，所述辐射单元1包括第一辐射部5和第二辐射部6，所述第一辐射部5沿所述第一方向X具有相对的第一侧边和第二侧边，所述第二辐射部6与所述第一侧边或第二侧边连接。在本实施例中，图1所示的连接方式为第二辐射部6与所述第二侧边连接。

示例性地，所述第一辐射部5具有缝隙51，所述缝隙51沿第二方向Y贯穿所述第一辐射部5，说明性的，当天线结构组装时，天线结构设置在基板上，所述第二方向Y为垂直于基板大面的方向，所述第一方向X与所述第二方向Y垂直。

进一步地，所述缝隙51呈矩形。在实施例一的基础上，所述天线结构还包括阻抗匹配结构3，所述阻抗匹配结构3通过所述馈线2与所述辐射单元1连接，在同一所述辐射单元1中，沿第一方向X，所述第一辐射部5相对于第二辐射部6更靠近所述阻抗匹配结构3。

示例性地，所述第二辐射部6呈四边形。例如图1中的矩形，也可以是梯形等具有对称结构的四边图形。

本实施例一以第一辐射部5和第二辐射部6均为矩形为例，所述第一侧边在第一方向X上的宽度为W，所述W等于所述馈线的宽度，所述第二辐射部6与所述第一辐射部5连接的中点位置到所述第一辐射部5两端的距离相等。具体地，所述W等于馈线的宽度，也可根据天线结构谐振频率进行调节。

下面将具体说明一种可行的实施例，在实施例一中所述辐射单元1为对称结构，所述辐射单元1结构如图2所示，由所述第一辐射部5和第二辐射部6构成，天线结构包括至少一个辐射单元1，具体地根据需要的天线结构的增益而定，实施例一的天线结构共有六个辐射单元1，各个辐射单元1通过馈线2相连接。

需要说明的是，本文中的“至少一个”，当其与一系列项使用时，是指可以使用一个或多个所列项的不同组合，并且可以需要列表中每个项的仅一个。例如，“项A、项B和项C中的至少一个”可以包括但不限于，项A或项A和项B。该示例还可以包括项A、项B和项C，或项B和项C。在其他示例中，“至少一个”可以是例如但不限于，两个项A、一个项B和十个项C、四个项B和七个项C、或某些其他合适的组合。

所述馈线2还用来连接阻抗匹配结构3和相邻的辐射单元1，所述阻抗匹配结构3用来调节整个天线结构的阻抗。馈电结构4是50欧姆阻抗微带线，馈电结构4的一端与芯片发射机和接收机的端口相连接，馈电结构4的另一端与天线结构的阻抗匹配结构3相连接，从而完成对天线结构的激励，使天线结构可以辐射。

所述第一辐射部5为所述辐射单元1的组成部分，其外形为矩形环且四边环的宽度相等均为W4，矩形环的宽度W4影响天线结构的谐振频率应根据不同的工作频率选择不同的宽度W4，实施例一中W4的取值等于所述馈线的宽度，其中矩形环的外边长W1、内边长W2、内边宽L1、外边宽L2。当然在一些其他实施例中，第一辐射部5两侧的短边替换为弧形，但其内部的缝隙51依然为矩形。说明性的，矩形环的各处宽度均为W4，有别于现有的缝隙天线的缝隙。

第二辐射部6为所述辐射单元1的另一组成部分，为一个矩形贴片，其长度为W5，宽度为L3，该第二辐射部6与所述第一辐射部5相连接组成所述辐射单元1。

所述第一辐射部5中，外边长W1以及内边宽L1均会影响天线结构谐振频率。矩形环的外边长W1=W5+2*W3，其中W5为第二辐射部6矩形贴片的长度，W3为第二辐射部6矩形贴片距离所述第一辐射部5矩形环外边长的距离，其中W3的距离影响着天线结构带宽的上限截至频率，具体公式为：W3 =，其中/>，/>是电磁波在上限截止频率时在高频板材中传播的波长，c是光在真空中传播的速度，/>是天线结构工作的上限截止频率，/>是天线结构印刷在高频板材上的高频板材的相对介电常数，实施例一中高频板材的相对介电常数为3.07，可以选择的高频板材的相对介电常数2.95至3.12[A3]。

所述第二辐射部6中矩形贴片的宽度L3影响天线结构的下限截止频率，具体公式为：，其中/>，/>是电磁波在下限截止频率时在高频板材中传播的波长， c是光在真空中传播的速度，/>是天线结构工作的下限截止频率，/>是天线结构印刷在高频板材上的高频板材的相对介电常数。

如图3、图4和图5，经过验证，实施例一天线结构设计，可以达到传统两个天线通过功分器赋形的效果，其具有宽波束且在大角度波束增益较高的特点，同时减小了天线尺寸有助于实现雷达的小型化以及节省生产成本。图3为天线结构仿真的反射系数S11曲线，天线结构的工作频带在76.15GHz-76.8GHz，中心工作频率为76.5GHz。图4为所述天线结构的方位面仿真方向图,其最大增益为11.2dBi最大波束指向在±31°且在±100°时增益仍大于0。图5为天结构的俯仰面仿真方向图，最大增益约为5dBi,最大波束指向为1°，3dB波束宽度为17.4°。

本发明的有益效果，本发明通过将辐射单元1设置为第一辐射部5和第二辐射部6，并且第二辐射部6设置在第一辐射部5沿第一方向X上的第一侧边或第二侧边，通过该辐射单元1连接形成的天线，其具有宽波束且在大角度波束增益较高的特点，以代替传统两个天线通过功分器赋形的效果。在尺寸上相当于传统的单个天线，从而节省了整个雷达体积，并且更小的体积便于雷达天线结构具有更多排布方式，更好的提升雷达的性能。

如图6所示，为本发明实施例二提供的天线结构的结构示意图，所述包括：辐射单元1和馈线2。

示例性地，所述辐射单元1与馈线2连接，所述馈线2沿第一方向X延伸，所述辐射单元1包括第一辐射部5和第二辐射部6，所述第一辐射部5沿所述第一方向X具有相对的第一侧边和第二侧边，所述第二辐射部6与所述第一侧边或第二侧边连接。在本实施例中，图6所示的连接方式为第二辐射部6与所述第一侧边连接。

示例性地，所述第一辐射部5具有缝隙51，所述缝隙51沿第二方向Y贯穿所述第一辐射部5，说明性的，当天线结构组装时，天线结构设置在基板上，所述第二方向Y为垂直于基板大面的方向，所述第一方向X与所述第二方向Y垂直。

进一步地，所述缝隙51呈矩形。在实施例一的基础上，所述天线结构还包括阻抗匹配结构3，所述阻抗匹配结构3通过所述馈线2与所述辐射单元1连接，在同一所述辐射单元1中，沿第一方向X，所述第二辐射部6相对于第一辐射部5更靠近所述阻抗匹配结构3。

示例性地，所述第二辐射部6呈四边形。例如图6中的矩形，也可以是梯形等具有对称结构的四边图形。

本实施例二以第一辐射部5和第二辐射部6均为矩形为例，所述第一侧边在第一方向X上的宽度为W，所述W等于所述馈线2的宽度，所述第二辐射部6与所述第一辐射部5连接的中点位置到所述第一辐射部5两端的距离相等。

下面将具体说明一种可行的实施例，在实施例二中所述辐射单元1为对称结构，所述辐射单元1结构如图2所示，由所述第一辐射部5和第二辐射部6构成，实施例二的天线结构共有六个辐射单元1，各个辐射单元1通过馈线2相连接。

所述馈线2还用来连接阻抗匹配结构3和相邻的辐射单元1，所述阻抗匹配结构3用来调节整个天线结构的阻抗。馈电结构4是50欧姆阻抗微带线，馈电结构4的一端与芯片发射机和接收机的端口相连接，馈电结构4的另一端与天线结构的阻抗匹配结构3相连接，从而完成对天线结构的激励，使天线结构可以辐射。

所述第一辐射部5为所述辐射单元1的组成部分，其外形为矩形环且四边环的宽度相等均为W4（即为所述第一侧边在第一方向X上的宽度为W），矩形环的宽度W4影响天线结构的谐振频率应根据不同的工作频率选择不同的宽度W4，实施例二中W4的取值等于馈线2的宽度，其中矩形环的外边长W1、内边长W2、内边宽L1、外边宽L2。

第二辐射部6为所述辐射单元1的另一组成部分，为一个矩形贴片，其长度为W5，宽度为L3，该第二辐射部6与所述第一辐射部5相连接组成所述辐射单元1。

所述第一辐射部5中，外边长W1以及内边宽L1均会影响天线结构谐振频率。矩形环的外边长W1=W5+2*W3，其中W5为第二辐射部6矩形贴片的长度，W3为第二辐射部6矩形贴片距离所述第一辐射部5矩形环外边长的距离，其中W3的距离影响着天线结构带宽的上限截至频率，具体公式为：W3 =，其中/>，/>是电磁波在上限截止频率时在高频板材中传播的波长， c是光在真空中传播的速度，/>是天线结构工作的上限截止频率，/>是天线结构印刷在高频板材上的高频板材的相对介电常数，实施例二中高频板材的相对介电常数为3.07，可以选择的高频板材的相对介电常数2.95至3.12。

所述第二辐射部6中矩形贴片的宽度L3影响天线结构的下限截止频率，具体公式为：，其中/>，/>是电磁波在下限截止频率时在高频板材中传播的波长， c是光在真空中传播的速度，/>是天线结构工作的下限截止频率，/>是天线结构印刷在高频板材上的高频板材的相对介电常数。

如图3、图4和图5，经过验证，实施例二天线结构设计，可以达到传统两个天线通过功分器赋形的效果，其具有宽波束且在大角度波束增益较高的特点，同时减小了天线尺寸有助于实现雷达的小型化以及节省生产成本。图3为天线结构仿真的反射系数S11曲线，天线结构的工作频带在76.15GHz-76.8GHz，中心工作频率为76.5GHz。图4为所述天线结构的方位面仿真方向图,其最大增益为11.2dBi最大波束指向在±31°且在±100°时增益仍大于0。图5为天结构的俯仰面仿真方向图，最大增益约为5dBi,最大波束指向为1°，3dB波束宽度为17.4°。

本发明的有益效果，本发明通过将辐射单元1设置为第一辐射部5和第二辐射部6，并且第二辐射部6设置在第一辐射部5沿第一方向X上的第一侧边或第二侧边，通过该辐射单元1连接形成的天线，其具有宽波束且在大角度波束增益较高的特点，以代替传统两个天线通过功分器赋形的效果。在尺寸上相当于传统的单个天线，从而节省了整个雷达体积，并且更小的体积便于雷达天线结构具有更多排布方式，更好的提升雷达的性能。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种天线结构，其特征在于，包括：辐射单元和馈线；

所述辐射单元与馈线连接，所述馈线沿第一方向延伸；

所述辐射单元包括第一辐射部和第二辐射部，所述第一辐射部沿所述第一方向具有相对的第一侧边和第二侧边，所述第二辐射部与所述第一侧边或第二侧边连接；

所述第一辐射部具有缝隙，所述缝隙沿第二方向贯穿所述第一辐射部，所述第一方向与所述第二方向垂直；所述第一侧边在第一方向上的宽度为W，所述W等于所述馈线的宽度；所述第二辐射部与所述第一辐射部连接的中点位置到所述第一辐射部两端的距离相等。

2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述缝隙呈矩形。

3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述天线结构还包括阻抗匹配结构，所述阻抗匹配结构通过所述馈线与所述辐射单元连接。

4.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于，在同一所述辐射单元中，沿第一方向，所述第一辐射部相对于第二辐射部更靠近所述阻抗匹配结构。

5.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于，在同一所述辐射单元中，沿第一方向，所述第二辐射部相对于第一辐射部更靠近所述阻抗匹配结构。

6.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于，所述第二辐射部呈四边形。

7.一种雷达设备，其特征在于，包括权利要求1-6中任意一项所述的天线结构。