CN220934397U - 一种宽波束毫米波天线及雷达设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种宽波束毫米波天线及雷达设备，包括：依次层叠的金属贴片层、第一介质基板、天线馈电层、第二介质基板和金属介质层；金属贴片层包括至少两个金属贴片单元，金属贴片单元布设于第一介质基板上；天线馈电层包括主辐射天线阵列，主辐射天线阵列布设于第二介质基板上；金属贴片单元在第二介质基板厚度方向上的正投影至少部分位于主辐射天线阵列在第二介质基板上的正投影之外，且两个金属贴片单元间隔设置于主辐射天线阵列的两侧。本实用新型采用叠层结构，将主辐射天线阵列与金属贴片单元分布在不同的介质基板上，通过耦合的方式激励金属贴片单元，以实现毫米波天线波束宽度的拓展，使其拥有波束宽、体积小、易于集成等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线技术领域，特别涉及一种宽波束毫米波天线及雷达设备。
背景技术
毫米波雷达是一种利用毫米波频段进行无线电波探测的雷达技术。毫米波指的是频率在30GHz到300GHz之间的无线电波。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。随着技术的不断发展，毫米波雷达技术的应用范围和性能将得到进一步提升，可以实现对更小目标的探测和识别，可以应用于无人机、机器人、智能家居等领域。
现有市场上主流的毫米波雷达产品多采用微带贴片天线印刷在高频PCB(PrintedCircuit Board，印刷电路板)板材上构成阵列天线来实现天线需求。贴片天线具有体积小、重量轻、低剖面、制造简单、成本低、易于集成以及易于实现双频、多频段操作等优点。一般采用串状贴片天线和梳状贴片天线居多，贴片天线阵元设计简单，且多个天线阵元之间一致性设计起来更容易，故很多产品采用串状贴片天线和梳状贴片天线作为毫米波雷达天线方案。
在很多不同的应用场景中，毫米波雷达为了实现更大的FOV(视场角)需要在天线设计上满足更宽的波束宽度。例如，在车载毫米波角雷达的应用中对于天线的需求就需要在±75°或者在更大的角度天线仍有较大的增益，但是由于贴片天线的本身的局限性导致无法完成单天线具有宽波束方向图的设计。因此，如何尽可能大的提升波束宽度，是一个亟待解决的重要问题。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种宽波束毫米波天线及雷达设备，以解决现有技术中的存在的问题。
本实用新型的目的采用以下技术方案实现：
根据本实用新型的一方面，本实用新型提供一种宽波束毫米波天线，包括：
依次层叠的金属贴片层、第一介质基板、天线馈电层、第二介质基板和金属介质层；
所述金属贴片层包括至少两个金属贴片单元，所述金属贴片单元布设于所述第一介质基板上；
所述天线馈电层包括主辐射天线阵列，所述主辐射天线阵列布设于所述第二介质基板上；
在所述第二介质基板的厚度方向上，所述金属贴片单元在所述第二介质基板上的正投影至少部分位于所述主辐射天线阵列在所述第二介质基板上的正投影之外，且两个所述金属贴片单元间隔设置于所述主辐射天线阵列的两侧。
进一步地，每个所述金属贴片单元于板厚方向在所述第二介质基板上的投影与所述主辐射天线阵列的距离均相等。
进一步地，所述第一介质基板与所述第二介质基板均具有相同方向设置的第一方向和第二方向，所述第一方向和所述第二方向相交；
每个所述金属贴片单元于板厚方向在所述第二介质基板上的投影与所述主辐射天线阵列有重叠，且重叠部分的宽度不大于0.15毫米，所述重叠部分的宽度为所述第二方向上的延伸长度值。
进一步地，所述主辐射天线阵列包括多个天线贴片单元，所述天线贴片单元呈矩形，所述天线贴片单元沿所述第一方向的最大尺寸为L1毫米，且满足：L1<λ1/2，其中，λ1为电磁波在所述第二介质基板中传播的波长。
进一步地，所述主辐射天线阵列的每个天线贴片单元的宽度沿所述第一方向从中间到两边依次逐渐变小，所述天线贴片单元的宽度为所述第二方向上的延伸长度值。
进一步地，所述金属贴片单元呈矩形，所述金属贴片单元沿所述第一方向上的最大尺寸为L2毫米，且满足：L2<λ2/2，其中，λ2为电磁波在所述第一介质基板中传播的波长。
进一步地，所述天线馈电层还包括：微带线、阻抗匹配结构和馈线结构；
所述微带线、所述阻抗匹配结构和所述馈线结构均布设于所述第二介质基板上；
所述微带线的一端与外部的芯片发射机和接收机的端口相连接，另一端与所述阻抗匹配结构的一端连接；
所述阻抗匹配结构的另一端与所述馈线结构的一端连接，所述馈线结构的另一端与所述主辐射天线阵列连接；
所述主辐射天线阵列的各个天线贴片单元之间通过所述馈线结构连接。
进一步地，多个所述金属贴片单元布设于所述第一介质基板沿所述第一方向的轴线的两侧；
所述主辐射天线阵列排列在所述第二介质基板沿所述第一方向的轴线上。
进一步地，第一介质基板与所述第二介质基板均为高频板材。
根据本实用新型的另一方面，本实用新型还提供一种雷达设备，所述雷达设备包括本实用新型任一实施例所述的宽波束毫米波天线。
本实用新型提出的一种宽波束毫米波天线及雷达设备，采用叠层结构，将主辐射天线阵列与金属贴片单元分布在不同的介质基板上，且在第二介质基板厚度方向上，金属贴片单元在第二介质基板上的正投影至少部分位于主辐射天线阵列在第二介质基板上的正投影之外，使得金属贴片单元于板厚方向与主辐射天线阵列错位设置，且金属贴片单元间隔设置于主辐射天线阵列的两侧，辐射天线阵列通过耦合的方式激励金属贴片单元，以实现毫米波天线波束宽度的拓展，使其拥有宽波束、体积小、易于集成等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的宽波束毫米波天线的叠层结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的天线馈电层的布局示意图；
图3为本实用新型实施例提供的金属贴片层的布局示意图；
图4为本实用新型实施例提供的金属贴片层的天线贴片与天线馈电层的金属贴片单元的相对位置示意图；
图5为本实用新型实施例提供的天线反射系数的参数仿真图；
图6为本实用新型实施例提供的天线EH方向图的仿真图。
附图标记：
1、金属介质层；2、第二介质基板；3、天线馈电层；4、第一介质基板；5、金属贴片层；6、微带线；7、阻抗匹配结构；8、馈线结构；9、天线贴片单元；10、金属贴片单元。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。
在后续的描述中，使用用于表示元件区分的顺序词，诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等，仅为了有利于本实用新型的说明，其本身并没有特定的意义和顺序关系。
毫米波雷达技术可以应用于多种领域，包括安全检测、人体检测、汽车驾驶辅助等。毫米波雷达***通常由天线、发射器、接收器、处理器等部分组成。发射器会产生一束毫米波信号，然后将信号发送到目标物体。当信号碰撞到目标物体时，部分信号会被反射回来，并被接收器接收。接收器会将接收到的信号送到处理器中进行处理，从而得到目标物体的距离、速度、方向等信息。
申请人发现，例如汽车驾驶辅助领域，在车载毫米波角雷达的应用中，对于天线的需求就需要在±75°或者在更大的角度天线仍有较大的增益，但由于贴片天线的本身的尺寸与工作频率之间的制约关系，限制了贴片天线的波束宽度，而导致无法完成单天线具有宽波束方向图的设计，不利于很多场景的实际应用。因此，本实施例提出一种宽波束毫米波天线及雷达设备，以满足在较广的方向传输信号的要求。
图1为本实用新型实施例提供的宽波束毫米波天线的叠层结构示意图；图2为本实用新型实施例提供的天线馈电层的布局示意图；图3为本实用新型实施例提供的金属贴片层的布局示意图；图4为本实用新型实施例提供的金属贴片层的天线贴片与天线馈电层的金属贴片单元的相对位置示意图。参照图1-4所示，本实用新型提供一种宽波束毫米波天线，包括：
依次层叠的金属贴片层5、第一介质基板4、天线馈电层3、第二介质基板2和金属介质层1；
金属贴片层5包括至少两个金属贴片单元10，金属贴片单元10布设于第一介质基板上4；
天线馈电层3包括主辐射天线阵列，主辐射天线阵列布设于第二介质基板2上；
在第二介质基板2的厚度方向上，金属贴片单元10在第二介质基板2上的正投影至少部分位于主辐射天线阵列在第二介质基板2上的正投影之外，且两个金属贴片单元10间隔设置于主辐射天线阵列的两侧。
其中，金属介质层1用于作为金属地，该金属介质层1的材质通常为金属铜，可利用化学镀工艺在第二介质基板2背离第一介质基板4的一侧形成该金属介质层1。
第二介质基板2相对第一介质基板4的一侧印刷有天线馈电层3，天线馈电层3的材质为金属铜，用于完成馈电以及主辐射天线阵列的辐射。当电流通过主辐射天线阵列时，会在其周围产生电磁场，从而产生电磁辐射。
第一介质基板4背离第二介质基板2的一侧印刷有金属贴片层5，金属贴片层5的金属贴片单元10在第二介质基板2上的正投影至少部分位于主辐射天线阵列在第二介质基板2上的正投影之外，使得金属贴片单元10于板厚方向与主辐射天线阵列错位设置，通过主辐射天线阵列的电磁耦合作用来实现辐射。
示例性地，每个金属贴片单元10于板厚方向在第二介质基板2上的投影与主辐射天线阵列的距离均相等。
示例性地，第一介质基板4与第二介质基板2均具有相同方向设置的第一方向X和第二方向Y，第一方向X和第二方向Y相交；
每个金属贴片单元10于板厚方向在第二介质基板2上的投影与主辐射天线阵列有重叠，且重叠部分的宽度不大于0.15毫米，重叠部分的宽度为第二方向Y上的延伸长度值。
其中，在第一介质基板4与第二介质基板2上设定相同方向设置的XY坐标系，第一方向X和第二方向Y相交，优选地，第一方向X垂直于第二方向Y。
具体地，如图4所示，每个金属贴片单元10于板厚方向在第二介质基板2上的投影与主辐射天线阵列的距离d均相等。当距离d为负数的情况下，表示每个金属贴片单元10于板厚方向在第二介质基板2上的投影与主辐射天线阵列有重叠。本实施例中，重叠部分在第二方向Y上的宽度值不大于0.15毫米，如果重叠部分大于0.15毫米，会引发天线方向图恶化的问题。重叠部分的宽度值取0.15毫米，其金属贴片单元10与主辐射天线阵列的耦合效果达到最佳，但随着重叠部分宽度值的逐渐变小，也就是距离d数值的变大，会导致金属贴片单元10的耦合效果变差，其对应的拓展波宽的效果也会减弱。因此，距离d的大小根据天线所需的工作频率以及波束展宽的程度来进行调节选择，设计天线时使得金属贴片单元10于板厚方向在第二介质基板2上的投影与主辐射天线阵列之间的距离d要尽量小，以增大天线波束宽度。
示例性地，主辐射天线阵列包括多个天线贴片单元9，天线贴片单元9呈矩形，天线贴片单元9沿第一方向的最大尺寸为L1毫米，且满足：L1<λ1/2，其中，λ1为电磁波在第二介质基板2中传播的波长。
具体地，主辐射天线阵列设置有8个天线贴片单元9，8个天线贴片单元9沿第一方向X的长度L1理论上都略小于λ1/2，其中，λ1是电磁波在第二介质基板2中传播的波长，λ1的计算公式如下：
λ1＝λ0/εr
其中，λ0是电磁波自由空间中传播的波长，εr是第二介质基板2所含高频板材的相对介电常数。
示例性地，主辐射天线阵列的每个天线贴片单元9的宽度W1沿第一方向X从中间到两边依次逐渐变小，天线贴片单元9的宽度W1为第二方向Y上的延伸长度值。
具体地，为了调节副瓣电平，根据切比雪夫电流分布，8个天线贴片单元9的宽度W1在第一方向X上呈中间大向第二介质基板2的两端逐渐减小的趋势分布，使得雷达天线具备更大的天线口径，副瓣电平更低。
示例性地，金属贴片单元10呈矩形，金属贴片单元10沿第一方向X上的最大尺寸为L2毫米，且满足：L2<λ2/2，其中，λ2为电磁波在第一介质基板4中传播的波长。
具体地，金属贴片层5设置有16个金属贴片单元10，将16个金属贴片单元10分成左右各8个，沿着第一介质基板4第一方向X上的轴线对称分布。16个天线贴片单元9沿第一方向X的长度L1理论上都略小于λ2/2，其中，λ2是电磁波在第一介质基板4中传播的波长，λ1的计算公式如下：
λ2＝λ0/εr
其中，λ0是电磁波自由空间中传播的波长，εr是第一介质基板4所含高频板材的相对介电常数。各个金属贴片单元10的宽度W2无具体要求，各金属贴片单元10的宽度W2可以相等也可以不相等，但每个金属贴片单元10的宽度W2与长度L2综合影响了单个贴片的谐振频率，再进一步影响天线馈电层3主辐射天线阵列的方向图，即宽度W2与长度L2综合影响了整体天线拓宽波束的效果以及俯仰面方向图。
示例性地，如图2所示，天线馈电层3还包括：微带线6、阻抗匹配结构7和馈线结构8；
微带线6、阻抗匹配结构7和馈线结构8均布设于第二介质基板2上；
微带线6的一端与外部的芯片发射机和接收机的端口相连接，另一端与阻抗匹配结构7的一端连接；
阻抗匹配结构7的另一端与馈线结构8的一端连接，馈线结构8的另一端与主辐射天线阵列连接；
主辐射天线阵列的各个天线贴片单元9之间通过馈线结构8连接。
具体地，微带线6是阻抗为50欧姆，起馈电作用，其一端与外部的芯片发射机和接收机的端口相连接，另一端与主辐射天线阵列的阻抗匹配结构7相连接，以完成对主辐射天线阵列的激励作用，使主辐射天线阵列可以辐射。阻抗匹配结构7是四分之一波长的阻抗变换段。馈线结构8用来连接各个天线贴片单元9，各段馈线结构8的长度不等，长度都约等于λ1/2，但是要根据实际情况进行微调。
示例性地，第一介质基板4与第二介质基板2均为高频板材。
具体地，第一介质基板4与第二介质基板2均为高频板材，高频板材的特性能影响天线的谐振频率以及带宽。第一介质基板4与第二介质基板2可根据实际情况使用相同或不同的高频板材。
示例性地，多个金属贴片单元10布设于第一介质基板4沿第一方向X的轴线的两侧；
主辐射天线阵列排列在第二介质基板2沿第一方向X的轴线上。
具体地，本实施例设置有16个金属贴片单元10，对称分布于第一介质基板4沿第一方向X的轴线的两侧，主辐射天线阵列设置有个天线贴片单元9，排列在第二介质基板2沿第一方向X的轴线上。本实用新型其他实施例对于金属贴片单元10和主辐射天线阵列的天线贴片单元9的数量不加以限制。
本实施例所述天线仿真的反射系数S11曲线如图5所示，从图中可看出该天线阵列的工作频段为79.24GHz-80.44GHz。
该天线阵列在79.5GHz时的仿真方向图如图6所示，其中，最大增益为11.35dBi，方位面增益为3dB的波束宽度为109°，天线方位面的角度为±100°时天线增益仍大于0。当俯仰面最大波束指向为0°，俯仰面增益3dB的波束宽度为18.93°，副瓣电平为17.1dB；当俯仰面增益为0dB时，其波束俯仰面波束宽度为38.9°。
经过验证，本实用新型提出的一种宽波束毫米波天线，通过采用叠层结构，将主辐射天线阵列与金属贴片单元分布在不同的介质基板上，通过耦合的方式激励金属贴片单元，以实现毫米波天线波束宽度的拓展，使其拥有宽波束、体积小、易于集成等特点。
本实用新型实施例还提供一种雷达设备，所述雷达设备包括本实用新型任一实施例所述的宽波束毫米波天线。该雷达设备为宽FOV的短程毫米波雷达。
上文仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围，凡依本实用新型权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本实用新型的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种宽波束毫米波天线，其特征在于，包括：
依次层叠的金属贴片层、第一介质基板、天线馈电层、第二介质基板和金属介质层；
所述金属贴片层包括至少两个金属贴片单元，所述金属贴片单元布设于所述第一介质基板上；
所述天线馈电层包括主辐射天线阵列，所述主辐射天线阵列布设于所述第二介质基板上；
在所述第二介质基板的厚度方向上，所述金属贴片单元在所述第二介质基板上的正投影至少部分位于所述主辐射天线阵列在所述第二介质基板上的正投影之外，且两个所述金属贴片单元间隔设置于所述主辐射天线阵列的两侧。
2.根据权利要求1所述的宽波束毫米波天线，其特征在于，每个所述金属贴片单元于板厚方向在所述第二介质基板上的投影与所述主辐射天线阵列的距离均相等。
3.根据权利要求2所述的宽波束毫米波天线，其特征在于，所述第一介质基板与所述第二介质基板均具有相同方向设置的第一方向和第二方向，所述第一方向和所述第二方向相交；
每个所述金属贴片单元于板厚方向在所述第二介质基板上的投影与所述主辐射天线阵列有重叠，且重叠部分的宽度不大于0.15毫米，所述重叠部分的宽度为所述第二方向上的延伸长度值。
4.根据权利要求3所述的宽波束毫米波天线，其特征在于，所述主辐射天线阵列包括多个天线贴片单元，所述天线贴片单元呈矩形，所述天线贴片单元沿所述第一方向的最大尺寸为L1毫米，且满足：L1<λ1/2，其中，λ1为电磁波在所述第二介质基板中传播的波长。
5.根据权利要求4所述的宽波束毫米波天线，其特征在于，所述主辐射天线阵列的每个天线贴片单元的宽度沿所述第一方向从中间到两边依次逐渐变小，所述天线贴片单元的宽度为所述第二方向上的延伸长度值。
6.根据权利要求3所述的宽波束毫米波天线，其特征在于，所述金属贴片单元呈矩形，所述金属贴片单元沿所述第一方向上的最大尺寸为L2毫米，且满足：L2<λ2/2，其中，λ2为电磁波在所述第一介质基板中传播的波长。
7.根据权利要求1所述的宽波束毫米波天线，其特征在于，所述天线馈电层还包括：微带线、阻抗匹配结构和馈线结构；
所述微带线、所述阻抗匹配结构和所述馈线结构均布设于所述第二介质基板上；
所述微带线的一端与外部的芯片发射机和接收机的端口相连接，另一端与所述阻抗匹配结构的一端连接；
所述阻抗匹配结构的另一端与所述馈线结构的一端连接，所述馈线结构的另一端与所述主辐射天线阵列连接；
所述主辐射天线阵列的各个天线贴片单元之间通过所述馈线结构连接。
8.根据权利要求3所述的宽波束毫米波天线，其特征在于，多个所述金属贴片单元布设于所述第一介质基板沿所述第一方向的轴线的两侧；
所述主辐射天线阵列排列在所述第二介质基板沿所述第一方向的轴线上。
9.根据权利要求1所述的宽波束毫米波天线，其特征在于，第一介质基板与所述第二介质基板均为高频板材。
10.一种雷达设备，其特征在于，所述雷达设备包括如权利要求1-9中任一项所述的宽波束毫米波天线。
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| CN202323051866.9U Active CN220934397U (zh) | 2023-11-10 | 2023-11-10 | 一种宽波束毫米波天线及雷达设备 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-11-10 CN CN202323051866.9U patent/CN220934397U/zh active Active
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |