扇形宽波束收发天线的制作方法

本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种扇形宽波束收发天线。

背景技术：

自动驾驶技术是新兴的技术，也是今后汽车安全技术发展的趋势。车载毫米波雷达是自动驾驶汽车的关键部件。已经投入市场的车载毫米波雷达大多是前向雷达，用来检测前向中距和远距目标，而视频以及红外雷达只能检测短距或超短距目标，探测距离短，且易受雨雪等恶劣天气影响，不能全天候工作。针对盲区检测和变道辅助，需要使用毫米波雷达实现高精度，同时要求天线足够宽，实现对宽范围盲区的波束覆盖。对现有技术检索发现，用于车载雷达的宽波束天线还存在一些不足，如公开号为CN206758645U的实用型专利公开了一种“宽波束天线结构”，该天线使用了多个寄生组件实现拓宽波束，虽然天线增益足够大，但是波束宽度还不能满足车载角雷达的需求，不能够偏移天线最大增益指向，且结构复杂。

技术实现要素：

本实用新型针对现有天线波束宽度不够宽，不能满足车载角雷达宽波束和增益要求的问题，提供一种扇形宽波束收发天线。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

扇形宽波束收发天线，包括发射天线和接收天线。

所述发射天线包括相对间隔设置的发射反射层和发射辐射层；

发射反射层由发射反射介质基板、发射引向金属贴片阵列和发射反射金属带条所构成；发射引向金属贴片阵列和发射反射金属带条同时设置在发射反射介质基板朝向发射辐射层的一侧表面上，且发射引向金属贴片阵列和发射反射金属带条分别位于发射反射介质基板的纵向中线的两侧；发射引向金属贴片阵列包括多个矩形的发射引向金属贴片，这些发射引向金属贴片沿发射反射介质基板的纵向方向等间距分布，且所有发射引向金属贴片的纵向中线重合；发射反射金属带条为矩形条状，并沿发射反射介质基板纵向方向的两端一直延伸至反射介质基板的边缘；

发射辐射层由发射金属地板、发射辐射介质基板和发射辐射单元所构成；发射金属地板的尺寸与发射辐射介质基板远离发射反射层的一侧表面上；发射辐射单元设置在发射辐射介质基板朝向发射反射层的一侧表面上，并位于发射辐射介质基板的纵向中线的其中一侧；发射辐射单元包括发射微带馈线、发射辐射金属贴片阵列和发射微带匹配段；发射辐射金属贴片阵列包括多个矩形的发射辐射金属贴片，这些发射辐射金属贴片沿发射辐射介质基板的纵向方向等间距分布，且所有发射辐射金属贴片的纵向中线重合；发射微带匹配段的纵向中线与发射辐射金属贴片阵列的纵向中线重合，且发射微带匹配段纵向方向的其中一端延伸至发射辐射介质基板的边缘；长条状的发射微带馈线将所有发射辐射金属贴片和发射微带匹配段串联在一起；

所述接收天线包括相对间隔设置的接收反射层和接收辐射层；

接收反射层由接收反射介质基板和接收反射金属带条所构成；接收反射金属带条设置在接收反射介质基板朝向接收辐射层的一侧表面上，且接收反射金属带条的纵向中线与接收反射介质基板的纵向中线重合；接收反射金属带条为矩形条状，并沿接收反射介质基板的纵向方向一直延伸至接收反射介质基板的边缘；

接收辐射层由接收金属地板、接收辐射介质基板和接收辐射单元所构成；接收金属地板的尺寸与接收辐射介质基板相同，并覆于接收辐射介质基板远离接收反射层的一侧表面上；接收辐射单元设置在朝向接收反射层的一侧表面上，且接收辐射单元的纵向中线与接收辐射介质基板的纵向中线重合；接收辐射单元包括接收微带馈线、接收辐射金属贴片阵列和接收微带匹配段；接收辐射金属贴片阵列包括多个接收辐射金属贴片，这些接收辐射金属贴片沿接收辐射介质基板的纵向方向等间距分布，且所有接收辐射金属贴片的纵向中线重合；接收微带匹配段的纵向中线与接收辐射金属贴片阵列的纵向中线重合，且接收微带匹配段纵向方向的其中一端延伸至接收辐射介质基板的边缘；长条状的接收微带馈线将所有接收辐射金属贴片和接收微带匹配段串联在一起。

上述方案中，所有发射引向金属贴片的纵向长度相同；在发射引向金属贴片的纵向排布方向上，位于最中间的发射引向金属贴片的横向宽度最大，而往两边发射引向金属贴片的横向宽度逐渐减小。

上述方案中，所有发射辐射金属贴片的纵向长度相同；在发射辐射金属贴片的纵向排布方向上，位于最中间的发射辐射金属贴片的横向宽度最大，而往两边发射辐射金属贴片横向宽度逐渐减小。

上述方案中，发射引向金属贴片阵列所包含的发射引向金属贴片的数量与发射辐射金属贴片阵列所包含的发射辐射金属贴片的数量相同，且所处位置在垂直投影方向上一一对应；其中发射引向金属贴片的尺寸小于其垂直投影方向所对应的发射辐射金属贴片的尺寸。

上述方案中，发射反射金属带条的横向宽度介于最大发射辐射金属贴片的横向宽度和第二大发射辐射金属贴片的横向宽度之间。

上述方案中，所有接收辐射金属贴片的纵向长度相同；在接收辐射金属贴片的纵向排布方向上，位于最中间的接收辐射金属贴片的横向宽度最大，而往两边接收辐射金属贴片横向宽度逐渐减小。

上述方案中，发射微带匹配段和接收微带匹配段的纵向长度均为λε/4，其中λε为介质波长。

上述方案中，发射反射金属带条偏离发射反射介质基板的纵向中线的方向与发射辐射单元偏离发射辐射介质基板的纵向中线的方向为同一侧。

上述方案中，发射反射介质基板的尺寸与发射辐射介质基板的尺寸相同，接收反射介质基板的尺寸和接收辐射介质基板的尺寸相同。

上述方案中，发射反射介质基板和发射辐射介质基板的纵向长度等于接收反射介质基板和接收辐射介质基板的纵向长度，发射反射介质基板和发射辐射介质基板的横向宽度大于接收反射介质基板和接收辐射介质基板的横向宽度。

与现有技术相比，本实用新型实现了发射天线和接收天线在水平面扇形宽波束，俯仰面实现窄波束，并在发射天线反射层加载引向金属贴片面，使发射天线波束偏移。发射天线俯仰面3dB波束宽度为9.7°，水平面增益为10dB以上的波束宽度达到156°，最大增益偏向60°，为13.5dB；接收天线俯仰面3dB波束宽度9.9°，水平面最大增益13.9dB，3dB波束宽度为152.1°。发射天线和接收天线结构简单，易于加工，增益及波束宽度均满足车载角雷达的需求，适用于车载角雷达。

附图说明

图1为扇形宽波束发射天线的结构展开示意图。

图2为发射天线反射层的结构示意图。

图3为发射天线辐射层结构示意图。

图4为扇形宽波束接收天线的结构展开示意图。

图5为接收天线反射层结构示意图。

图6为接收天线辐射层结构示意图。

图7为发射天线S11曲线图。

图8为发射天线在中心频率处水平面(H面)辐射方向图。

图9为发射天线在中心频率处俯仰面(E面)辐射方向图。

图10为接收天线S11曲线图。

图11为接收天线在中心频率处水平面(H面)辐射方向图。

图12为接收天线在中心频率处俯仰面(E面)辐射方向图。

图中标号：

1、发射反射层；1-1、发射反射介质基板；1-2发射引向金属贴片；1-3、发射反射金属带条；

2、发射辐射层；2-1、发射金属地板；2-2、发射辐射介质基板；2-3、发射微带馈线；2-4、发射辐射贴片；2-5、发射微带匹配段；

3、接收反射层；3-1、接收反射介质基板；3-2、接收反射金属带条；

4、接收辐射层；4-1、接收金属地板；4-2、接收辐射介质基板；4-3、接收微带馈线；4-4、接收辐射贴片；4-5、接收微带匹配段。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

一种扇形宽波束收发天线，包括发射天线和接收天线。

上述发射天线如图1所示，天线包括相对间隔设置的发射反射层1和发射辐射层2。发射反射层1和发射辐射层2纵向中心在同一条垂线上。发射反射层1与发射辐射层2之间的间隔大小对发射天线的波束宽度影响较大，经过优化，本实施例中发射天线的发射反射层1与发射辐射层2之间的间隔为3.3mm。

参见图2，发射反射层1由发射反射介质基板1-1、发射引向金属贴片阵列和发射反射金属带条1-3所构成。发射引向金属贴片阵列和发射反射金属带条1-3同时设置在发射反射介质基板1-1朝向发射辐射层2的一侧表面上即下表面，且发射引向金属贴片阵列和发射反射金属带条1-3分别位于发射反射介质基板1-1的纵向中线的两侧。在本实施例中，发射反射金属带条1-3位于发射反射介质基板1-1的纵向中线的左侧，发射引向金属贴片阵列位于发射辐射介质基板2-2的纵向中线的右侧，使发射天线最大辐射方向偏移到60°。在本实施例中，发射金属反射带条1-3的纵向中线与发射反射介质基板纵1-1纵向中线距离1.55mm，发射引向金属贴片阵列的纵向中线与发射反射介质基板1-1纵向中线的距离为1.7mm。发射引向金属贴片阵列包括多个矩形的发射引向金属贴片1-2，这些发射引向金属贴片1-2沿发射反射介质基板1-1的纵向方向等间距分布，且所有发射引向金属贴片1-2的纵向中线重合。在本实施例中，发射引向金属贴片1-2的数量为10个，每两个引向金属贴片横向中线的间距为2.25mm。所有发射引向金属贴片1-2的纵向长度相同。在发射引向金属贴片1-2的纵向排布方向上，位于最中间的发射引向金属贴片1-2的横向宽度最大，而往两边发射引向金属贴片1-2的横向宽度逐渐减小。在本实施例中，10个发射引向金属贴片1-2的纵向长度统一为0.69mm，横向宽度分别为0.1mm、0.3mm、0.55mm、0.7mm、0.9mm、0.9mm、0.7mm、0.55mm、0.3mm、0.1mm。发射反射金属带条1-3为矩形条状，并沿发射反射介质基板1-1的纵向方向一直延伸至反射介质基板1-1的边缘。发射反射金属带条1-3的横向宽度介于最大发射辐射金属贴片2-4的横向宽度和第二大发射辐射金属贴片2-4的横向宽度之间，即在本实例中发射反射金属带条1-3的横向宽度介于第4个发射辐射金属贴片2-4的横向宽度与第5个发射辐射金属贴片2-4的横向宽度之间。在本实施例中，发射金属反射带条1-3宽度为1.06mm。由于发射金属反射带条1-3的横向宽度比大多数发射辐射金属贴片2-4的横向宽度略宽，起到反射作用，可以起到拓宽水平面(H面)波束的作用。

参见图3，发射辐射层2由发射金属地板2-1、发射辐射介质基板2-2和发射辐射单元所构成。发射金属地板2-1的尺寸与发射辐射介质基板2-2相同，并覆于发射辐射介质基板2-2远离发射反射层1的一侧表面上即下表面。发射辐射单元设置在发射辐射介质基板2-2朝向发射反射层1的一侧表面上即上表面，其发射辐射单元位于发射辐射介质基板2-2的纵向中线的其中一侧。在本实施例中，发射辐射单元位于发射辐射介质基板2-2的纵向中线的左侧。发射辐射单元包括发射微带馈线2-3、发射辐射金属贴片阵列和发射微带匹配段2-5。发射辐射金属贴片阵列包括多个矩形的发射辐射金属贴片2-4，这些发射辐射金属贴片2-4沿发射辐射介质基板2-2的纵向方向等间距分布，且所有发射辐射金属贴片2-4的纵向中线重合。发射引向金属贴片阵列所包含的发射引向金属贴片1-2的数量与发射辐射金属贴片阵列所包含的发射辐射金属贴片2-4的数量相同，且所处位置在垂直投影方向上一一对应即发射引向金属贴片1-2在发射辐射面上垂直投影的横向中心线对应与每个发射辐射金属贴片2-4的横向中心线重合。其中发射引向金属贴片1-2的尺寸略小于其垂直投影方向所对应的发射辐射金属贴片2-4的尺寸。所有发射辐射金属贴片2-4的纵向长度相同。在本实施例中，发射辐射金属贴片2-4的数量为10个。在发射辐射金属贴片2-4的纵向排布方向上，位于最中间的发射辐射金属贴片2-4的横向宽度最大，而往两边发射辐射金属贴片2-4横向宽度逐渐减小。10个发射辐射金属贴片2-4的纵向中线重合，纵向长度相同，控制每个辐射金属贴片2-4横向宽度，使得每个阵元的输入阻抗不同，从而控制每个阵元的电流幅度，使整个线阵服从切比雪夫电流分布，实现在接收天线和发射天线在俯仰面(E面)窄波束。发射微带匹配段2-5的纵向中线与发射辐射金属贴片阵列的纵向中线重合，且发射微带匹配段2-5位于发射辐射介质基板2-2的边缘。发射微带匹配段2-5的纵向长度均为λε/4，其中λε为介质波长，以将辐射线阵阻抗匹配到50欧姆。本实施例中，发射微带匹配段2-5纵向长度为0.6mm，横向宽度为0.7mm。长条状的发射微带馈线2-3将所有发射辐射金属贴片2-4和发射微带匹配段2-5串联在一起。本实施例中，发射微带馈线2-3宽度为0.23mm。

上述接收天线如图4所示，包括相对间隔设置的接收反射层3和接收辐射层4。接收反射层3和接收辐射层4中心在同一条垂线上。接收反射层3与接收辐射层4之间的间隔大小对接收天线的波束宽度影响较大，经过优化，本实施例中接收反射层3与接收辐射层4之间的间隔为2.6mm。

参见图5，接收反射层3由接收反射介质基板3-1和接收反射金属带条3-2所构成。接收反射金属带条3-2设置在接收反射介质基板3-1朝向接收辐射层4的一侧表面上即下表面，且接收反射金属带条3-2的纵向中线与接收反射介质基板3-1的纵向中线重合。接收反射金属带条3-2为矩形条状，并沿接收反射介质基板3-1的纵向方向一直延伸至接收反射介质基板3-1的边缘。

参见图6，接收辐射层4由接收金属地板4-1、接收辐射介质基板4-2和接收辐射单元所构成。接收金属地板4-1的尺寸与接收辐射介质基板4-2相同，并覆于接收辐射介质基板4-2远离接收反射层3的一侧表面上即下表面。接收辐射单元设置在朝向接收反射层3的一侧表面上即上表面，且接收辐射单元的纵向中线位于接收辐射介质基板4-2的纵向中线重合。接收辐射单元包括接收微带馈线4-3、接收辐射金属贴片阵列和接收微带匹配段4-5。接收辐射金属贴片阵列包括多个接收辐射金属贴片4-4，这些接收辐射金属贴片4-4沿接收辐射介质基板4-2的纵向方向等间距分布，且所有接收辐射金属贴片4-4的纵向中线重合。在本实施例中，接收辐射金属贴片4-4的数量为10个。所有接收辐射金属贴片4-4的纵向长度相同。在接收辐射金属贴片4-4的纵向排布方向上，位于最中间的接收辐射金属贴片4-4的横向宽度最大，而往两边接收辐射金属贴片4-4横向宽度逐渐减小。接收微带匹配段4-5的纵向中线与接收辐射金属贴片阵列的纵向中线重合，且接收微带匹配段4-5位于接收辐射介质基板4-2的边缘。接收微带匹配段4-5的纵向长度均为λε/4，其中λε为介质波长。长条状的接收微带馈线4-3将所有接收辐射金属贴片4-4和接收微带匹配段4-5串联在一起。接收辐射单元与发射辐射单元的尺寸和原理完全相同。

发射反射介质基板1-1的尺寸与发射辐射介质基板2-2的尺寸相同，接收反射介质基板3-1的尺寸和接收辐射介质基板4-2的尺寸相同。发射反射介质基板1-1和发射辐射介质基板2-2的纵向长度等于接收反射介质基板和接收辐射介质基板4-2的纵向长度，发射反射介质基板1-1和发射辐射介质基板2-2的横向宽度大于接收反射介质基板和接收辐射介质基板4-2的横向宽度。本实施例中发射反射介质基板1-1、发射辐射介质基板2-2和接收反射介质基板3-1和接收辐射介质基板4-2所采用的材质均为Rogers RO3003，介电常数3.0，损耗角正切0.0010，厚度为0.254mm。

图7-9分别是本实用新型实施例发射天线的S参数曲线、辐射方向图(H面和E面)。发射天线中心频率为77GHz，工作带宽1.2GHz(76.4GHz-77.6GHz)，在水平面(H面)最大增益偏向60°，达到14.02dB，10dB以上增益波束宽度达到155°，俯仰面(E面)3dB波束宽度(半功率波束宽度)为9.7°。图10-12分别是本实用新型实施例接收天线的S参数曲线、辐射方向图(H面和E面)。接收天线中心频率为77GHz，工作带宽1.2GHz(76.4GHz-77.6GHz)，最大增益13.9dB，水平面(H面)3dB波束宽度(半功率波束宽度)为152°，俯仰面(E面)3dB波束宽度(半功率波束宽度)为9.9°。由此可见，本实用新型收发天线结构简单，俯仰面(E面)波束窄，水平面(H面)波束宽，波束形状为扇形宽波束，可适用于汽车车载角雷达。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。