一种波束赋形天线的设计方法及雷达天线与流程

本申请属于天线
技术领域：
，尤其涉及一种波束赋形天线的设计方法及雷达天线。
背景技术：
：随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，汽车开始作为交通工具越来越普及。进入20世纪以后，国内汽车销量呈现大规模上涨的趋势。道路上汽车数量的急剧增加带来的是道路的拥挤，更重要的是交通不安全因素的增加。对于道路交通事故的分析表明，80％以上的车祸是司机反应不及引起的，超过65％的车辆属于追尾相撞。因此，目前汽车上急需安装高级驾驶辅助系统(adas，advancedriverassistancesystem)，毫米波雷达作为adas系统可选择的传感器之一，具有可以在夜晚、雨雾天气等比较恶劣的环境下进行工作的优势，与传统24ghz雷达相比，其具有体积小，集成度高，具有高距离分辨率和高速度分辨率等优势。天线作为汽车防撞雷达系统的关键元件，其性能对毫米波雷达的探测距离和探测范围具有较大的影响。然而，目前为了提高雷达的视场角，阵列天线的天线间距较小，存在严重的耦合现象，极大的限制了雷达的应用范围。技术实现要素：本申请的目的在于提供一种波束赋形天线的设计方法及雷达天线，旨在解决目前阵列天线耦合现象严重的问题。为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种波束赋形天线的设计方法，包括：根据天线的工作频率以及介质基板的材料参数确定辐射单元的初始尺寸以及介质波长；根据所述介质波长确定相邻所述辐射单元的间距，并将多个所述辐射单元串联，以形成单元线阵天线；对多个所述初始尺寸进行加权处理，以得到多个加权尺寸；其中，多个所述加权尺寸与多个所述辐射单元一一对应；在所述单元线阵天线的一端设置一阻抗变换段，对所述单元线阵天线的阻抗值进行调节；建立面阵天线模型，对多个所述单元线阵天线的电流幅度分布比及电流激励相位进行调节。可选的，所述根据天线的工作频率以及介质基板的材料参数确定辐射单元的初始尺寸以及介质波长，包括：根据预设的辐射单元表达式、天线的工作频率以及介质基板的材料参数确定所述辐射单元的初始尺寸和介质波长。可选的，所述单元线阵天线呈对称结构。可选的，所述在所述单元线阵天线的一端设置一阻抗变换段，对所述单元线阵天线的阻抗值进行调节，包括：根据主馈线的尺寸确定微带线阻抗；根据所述微带线阻抗确定所述阻抗变换段的阻抗值。可选的，所述建立面阵天线模型，对多个所述单元线阵天线的电流幅度分布比及电流激励相位进行调节，包括：将功分器和多个所述单元线阵天线组成面阵天线；多个所述阻抗变换段共接于所述功分器。可选的，所述建立面阵天线模型，对多个所述单元线阵天线的电流幅度分布比及电流激励相位进行调节，还包括：将功分器和多个所述单元线阵天线组成面阵天线，通过读取近场相位和幅度的方式对所述功分器进行调节。可选的，所述建立面阵天线模型，对多个所述单元线阵天线的电流幅度分布比及电流激励相位进行调节，包括：采用三根所述单元线阵天线组成面阵天线，三根所述单元线阵天线的电流幅度比值分别为i1：i2：i3＝0.6278：1：0.6675,三根所述单元线阵天线的电流激励相位分别为α1，α2以及α3，其中，α1＝-163°，α2＝90°，α3＝-140°。可选的，所述功分器包括与每一所述阻抗变换段连接的相位调节单元。可选的，所述功分器还包括与每一所述相位调节单元连接的电流幅度调节单元。本申请实施例还提供了一种雷达天线，所述雷达天线通过如上述任一项所述的设计方法制备而成。本申请实施例提供了一种波束赋形天线的设计方法及雷达天线，首先根据天线的工作频率以及介质基板的材料参数确定辐射单元的初始尺寸以及介质波长，根据所述介质波长确定相邻所述辐射单元的间距，并将多个所述辐射单元串联，以形成单元线阵天线，然后通过对多个所述初始尺寸进行加权处理，以得到多个加权尺寸，在所述单元线阵天线的一端设置一阻抗变换段，对所述单元线阵天线的阻抗值进行调节，建立面阵天线模型，对多个所述单元线阵天线的电流幅度分布比及电流激励相位进行调节，从而在不增加外部微波结构的情况下对单元线阵天线进行调节，解决了目前阵列天线耦合现象严重的问题。附图说明图1为本申请的一个实施例提供的设计方法的示意图；图2为本申请的一个实施例提供的通过微带传输线将辐射单元串联组成串馈驻波阵的示意图；图3为本申请的一个实施例提供的采用10个辐射单元串联组成单元线阵天线的示意图；图4为本申请的一个实施例提供的76.5ghz的天线阻抗值图谱；图5为本申请的一个实施例提供的在所述单元线阵天线的一端设置一阻抗变换段的示意图；图6为设置阻抗变换段之后的单元线阵天线的方向图结果；图7为设置阻抗变换段之后的单元线阵天线的s参数仿真结果；图8为本申请实施例中采用matlab拟合得到的方向图；图9为本申请实施例中3×10面阵天线hfss整体仿真模型的示意图；图10为本申请实施例中3x10面阵天线近场相位及近场幅度读取线位置的示意图；图11为本申请实施例中的三个单元线阵天线电流幅度和相位与天线单元的匹配关系的示意图；图12本申请实施例中的3x10面阵天线仿真方向图；图13本申请实施例中3x10面阵天线s11仿真参数。具体实施方式为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种波束赋形天线的设计方法，参见图1所示，本实施例中的设计方法包括步骤s10、步骤s20、步骤s30、步骤s40以及步骤s50。在步骤s10中，根据天线的工作频率以及介质基板的材料参数确定辐射单元的初始尺寸以及介质波长。在本实施例中，首先确定所需要设计的天线的工作频率，根据工作频率以及选择的介质基板确定辐射单元的初始尺寸以及介质波长。例如，在一个实施例中，介质基板可以采用pcb板材，通过刻蚀pcb板材形成多个串联的辐射单元，从而形成单元线阵天线。在一个实施例中，步骤s10具体包括：根据预设的辐射单元表达式、天线的工作频率以及介质基板的材料参数确定所述辐射单元的初始尺寸和介质波长。在本实施例中，可以通过预设的辐射单元表达式计算每一辐射单元的尺寸，例如，所述辐射单元表达式包括：其中，c为真空中的光速，f0为天线的工作频率,le为有效长度，εe为有效介电常数，δl表示等效的辐射缝隙的宽度,λg为介质波长,ε为介质基板的相对介电常数，h为介质基板的厚度，w为辐射单元的宽度，l为辐射单元的长度。在一个实施例中，介质基板采用r03003ed板材，其介电常数εe为3.16，板材厚度h为0.127mm，在本实施例中，天线的工作频率f0为76.5ghz，根据公式(1)～(6)，由此可以得到辐射单元的宽度w＝1.4mm，辐射单元的长度l为1.03mm，介质波长λg为2.4mm。在步骤s20中，根据所述介质波长确定相邻所述辐射单元的间距，并将多个所述辐射单元串联，以形成单元线阵天线。在本实施例中，通过微带传输线将辐射单元串联组成串馈驻波阵，以形成单元线阵天线，为了保证各个辐射单元的相位一致，在法线方向上进行叠加，辐射单元间距设置为λg，参见图2所示。在本实施例中，采用该馈电能够减小天线尺寸，并能够减小馈线的损耗。在步骤s30中，对多个所述初始尺寸进行加权处理，以得到多个加权尺寸；其中，多个所述加权尺寸与多个所述辐射单元一一对应。在本实施例中，通过对辐射单元的初始尺寸极性加权处理，从而对每一单元线阵天线上的电流分布进行调节，实现天线e面上低副瓣的要求。在一个实施例中，为了实现天线e面上低副瓣的要求，在本实施例中对天线贴片的电流分布进行切比雪夫加权，即通过对每一辐射单元的初始尺寸的宽度进行加权处理，对流过多个辐射单元的电流分布进行切比雪夫加权。在一个实施例中，所述单元线阵天线呈对称结构。在一个实施例中，本实施例中采用10个辐射单元串联组成单元线阵天线，由于线阵左右两侧是对称结构，因此在设计时只考虑右侧半边各阵元的电流分布情况，左侧半边的各阵元的电流分布情况根据对称结构即可得到，在本实施例中，取右侧半边各辐射单元的电流分布为i1：i2：i3：i4：i5＝1：0.878：0.6692：0.43：0.2575。具体的，右侧半边5个辐射单元的宽度比例为i1：i2：i3：i4：i5，从而可以保证各辐射单元的辐射功率比，参见图3所示，本实施例汇总你的10个辐射单元从中间向两边递减。在本实施例中，1～10表示贴片(即辐射单元)的序号，f1～f10表示主馈线的序号，在本实施例中，天线贴片单元(即辐射单元)的尺寸和馈线的尺寸如表一和表二所示。w1w2w3w4w5w6w7w8w9w100.36mm0.6mm0.94mm1.23mm1.4mm1.4mm1.23mm0.94mm0.6mm0.36mml1l2l3l4l5l6l7l8l9l101.16mm1.13mm1.1mm1.07mm1.04mm1.04mm1.07mm1.09mm1.12mm1.15mm表一：1x10线阵天线各阵元贴片尺寸wf1wf2wf3wf4wf5wf6wf7wf8wf9wf100.15mm0.15mm0.15mm0.15mm0.15mm0.15mm0.15mm0.15mm0.15mm0.15mmlf1lf2lf3lf4lf5lf6lf7lf8lf9lf101.19mm1.18mm1.15mm1.13mm1.12mm1.13mm1.15mm1.16mm1.17mm1.2mm表二：1x10线阵天线各主馈线尺寸其中，w为辐射单元的宽度，l为辐射单元的长度，wf为主馈线的宽度，lf为主馈线的长度，根据表一和表二，在本实施例中，选择主馈线的宽度为0.15mm，对应的微带线特征阻抗为72.37欧姆。在本实施例中，通过将线阵天线的阻抗设计为实阻抗，使得线阵天线的各个阵元达到同向辐射，天线处于谐振状态，其76.5ghz处的阻抗值位于smith圆图的实轴上，参见图4所示。根据图4中的76.5ghz的天线阻抗值图谱可以得到，天线的阻抗值为60.2欧姆。在步骤s40中，参见图5所示，在所述单元线阵天线的一端设置一阻抗变换段，对所述单元线阵天线的阻抗值进行调节。在一个实施例中，步骤s40具体包括：步骤s41：根据主馈线的尺寸确定微带线阻抗；步骤s42：根据所述微带线阻抗确定所述阻抗变换段的阻抗值。在本实施例中，由于在设计面阵天线时，所选择的微带线特征阻抗(即主馈线阻抗)与天线的阻抗值之间存在差异，因此通过设置阻抗变换段使天线的阻抗达到预设的阈值阻抗。其中，zin为输入阻抗，zload为负载阻抗，zλg/4为四分之一波长阻抗变换器的阻抗，该变换器可以实现阻抗匹配，在本是实施例中，zload是通过目标阻抗，即预设的阈值阻抗。在一个实施例中，根据76.5ghz的天线阻抗值图谱可以得到，天线的阻抗值为60.2欧姆，即zin为60.2欧姆，主馈线的阻抗(即负载阻抗)为72.37欧姆，根据公式(7)可以得到阻抗变换段的阻抗(即四分之一波长阻抗变换器)的阻抗值为66欧姆。在一个实施例中，采用66欧姆的阻抗变换段，其宽度wtrans＝0.18mm,对应的长度ltrans＝0.63mm。在一个实施例中，图6为设置阻抗变换段之后的单元线阵天线的方向图结果，图7为设置阻抗变换段之后的单元线阵天线的s参数仿真结果。参见图6所示，h面的最大增益为15.69dbi，e面副瓣电平小于-24.4db，具有良好的副瓣抑制性能。参见图7所示，1×10线阵天线阻抗带宽(s11<-10db)为1.28ghz，满足了雷达带宽需求，其中心频率76.5ghz处，s11衰减为-31.8db。在一个实施例中，本实施例中的设计方法还包括步骤：对h面进行赋形处理。具体的，在本实施例中，首先利用遗传算法拟合优化得到目标方向图，然后计算出每个辐射单元的电流激励相位和电流分布幅度，从而在hfss中进行仿真优化。在一个实施例中，图8为本实施例采用matlab拟合得到的方向图。红色曲线为目标方向图，蓝色曲线为拟合得到的方向图，从图中可以看出，目标方向图和通过优化拟合得到的方向图基本重合，其主波束偏离法线方向40°，从-50°～30°范围内天线增益比主波束低6db。该程序通过优化计算出的3根1×10线阵天线的电流幅度分布比为i1：i2：i3＝0.6278:1:0.6675,电流激励相位为α1＝-163°，α2＝90°，α3＝-140°。步骤s50：建立面阵天线模型，对多个所述单元线阵天线的电流幅度分布比及电流激励相位进行调节。在一个实施例中，步骤s50包括：将功分器和多个所述单元线阵天线组成面阵天线；多个所述阻抗变换段共接于所述功分器。在一个实施例中，步骤s50还包括：采用三根所述单元线阵天线组成面阵天线，三根所述单元线阵天线的电流幅度比值分别为i1、i2以及i3，其中，i1：i2：i3＝0.6278：1：0.6675,三根所述单元线阵天线的电流激励相位分别为α1，α2以及α3，其中，α1＝-163°，α2＝90°，α3＝-140°。在一个实施例中，参见图9所示，所述功分器a包括与每一所述阻抗变换段连接的相位调节单元a1。在一个实施例中，所述功分器a还包括与每一所述相位调节单元连接的电流幅度调节单元b1。在一个实施例中，步骤s50包括步骤s51、步骤s52以及步骤s53。在步骤s51中，首先建立3x10面阵天线模型，由于需要调节各个线阵单元的电流幅度和相位，因此在建立模型时会画出弯折线(即相位调节单元a1)以备调节相位用，其模型如图9所示。在一个实施例中，本实施例中采用三根单元线阵天线以及功分器建立整体3x10面阵天线模型，并在每一单元线阵天线上设置相位调节单元a1以及电流幅度调节单元b1，以在整体模型中调节3根1x10线阵天线的电流幅度分布比及电流激励相位。在一个实施例中，参见图9所示，在本实施例中，通过在每一单元线阵天线与天线共接点之间设置一弯折线作为相位调节单元a1对其电流激励相位进行调节，例如通过调节弯折线的弧度或者长度对该单元线阵天线的电流激励相位进行调节。相位调节单元a1中的弯折线为调节相位用，图中一共有3段弯折线分别调节每一个线阵单元的相位。进一步的，在每一单元线阵天线上还设有电流幅度调节单元b1，电流幅度调节单元b1可以为调节电流幅度分布的匹配枝节，通过调节匹配枝节的参数对电流幅度进行调节。在步骤s52中，在功分器与1x10线阵单元结合部画近场相位及近场电场幅度读取线c，参见图10所示，在读取线c1处读取近场相位，在c2处读取近场电场幅度，其位于介质层内部(ro3003ed)不在表面上，在本实施例中，将其设置在介质层厚度一半的位置上。在本实施例中，近场相位及近场电场幅度读取线c为虚拟线，用于在模型设计中实时读取该处的近场相位以及近场电场幅度。在步骤s53中，根据电场幅度和相位曲线调节弯折线以及匹配枝节，以使其电流幅度分布比和电流激励相位与matlab程序计算得到的结果一致。三个单元线阵天线电流幅度和相位与天线单元的匹配关系参见图10所示。表三为仿真得到的相位与matlab的计算值，参见表三可知，仿真得到的相位与matlab的计算值之间的相差很小，最大误差小于2.2°。α1α2α3matlab计算值-163°90°-140°仿真值-161.0397°88.57°-137.7442°表三：相位仿真值与matlab计算值对比对于幅度值而言，其也符合i1：i2：i3＝0.6278：1：0.6675的趋势，其中，i1为单元一(即第一单元线阵天线)的电流幅度，i2为单元二(即第二单元线阵天线)的电流幅度，i3为单元三(即第三单元线阵天线)的电流幅度，α1、α2以及α3分别为单元一、单元二以及单元三的电流激励相位。根据表三可知，中间单元幅度最高，两边单元幅度较小且单元一和单元三的幅度值基本相等，符合0.6278：0.6675的比例。最终仿真得到的方向图参见图11所示。参见图11所示，本实施例中的天线主波束偏离法线方向43°，且在14°～60°范围内增益变化平缓比主波束增益低大约4dbi，在±75°增益大于5.8dbi,满足了雷达系统的探测范围要求，同时该方向图与matlab拟合得到的方向图(图11中较平滑的曲线)基本一致，重合度高。参见图12所示，本实施例中的3x10面阵天线阻抗带宽为(s11<-10db)1.48ghz，符合雷达系统扫频带宽要求。在一个实施例中，采用本申请实施例的设计方法，采用面阵天线近场电场幅度和电流激励相位的方法调节各个天线单元之间电流分布比及电流激励相位的方法，在一定程度上解决了因为天线间互偶造成的功分器电流分布比及电流激励相位受影响的问题，同时在不加入外部结构(电磁带隙结构，缺陷地结构，超材料)，降低了天线加工难度，降低了加工成本，同时有利于雷达的小形化和集成化。本申请实施例还提供了一种雷达天线，所述雷达天线通过如上述任一项所述的设计方法制备而成。本申请实施例提供了一种波束赋形天线的设计方法及雷达天线，首先根据天线的工作频率以及介质基板的材料参数确定辐射单元的初始尺寸以及介质波长，根据所述介质波长确定相邻所述辐射单元的间距，并将多个所述辐射单元串联，以形成单元线阵天线，然后通过对多个所述初始尺寸进行加权处理，以得到多个加权尺寸，在所述单元线阵天线的一端设置一阻抗变换段，对所述单元线阵天线的阻抗值进行调节，建立面阵天线模型，对多个所述单元线阵天线的电流幅度分布比及电流激励相位进行调节，从而在不增加外部微波结构的情况下对单元线阵天线进行调节，解决了目前阵列天线耦合现象严重的问题。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页12