一种变厚度双弧形毫米波雷达天线罩及设计方法与流程
本发明涉及雷达天线技术领域，具体而言，涉及一种变厚度双弧形毫米波雷达天线罩及设计方法。
背景技术：
车载毫米波雷达作为高级驾驶辅助系统(adas)重要的传感器之一，已成为adas系统中不可缺少的一部分，并且随着自动驾驶技术的不断发展，毫米波雷达将会拥有巨大的市场需求。在车载雷达产品的开发中，雷达天线罩的开发设计是及其重要一部分，不仅影响着雷达波的探测感知性能，而且对核心部件雷达天线也起到重要保护作用。其设计目标主要是使其对雷达的视角(fov)范围影响较小或者基本没有影响。
目前，对于汽车前向雷达的研究已经趋于成熟，而对于车载毫米波角雷达的研究才刚刚起步。车载毫米波角雷达不仅需要兼顾天线增益，而且需要雷达具有大角度探测范围(140°-150°)。不仅对天线波束宽度要求较高，而且在考虑到天线罩对天线性能的影响之后，其开发设计难度大大增加。车载毫米波角雷达在盲点监测(bsd)，变道辅助(lca)，停车辅助(pa)，十字交通报警(cta)等场景的应用中都起着至关重要的作用。目前由于pcb加工工艺的限制，大多数厂家仍是采用微带阵列天线。而对于车载毫米波雷达现在大多是雷达产品还是利用的是平面天线罩，而雷达产品大多数为中远距雷达。在将简单的平面罩应用于角雷达时，雷达天线方向图会在大角度出现凹陷，难以满足性能要求。因此，如何改善天线罩，进而提高毫米波角雷达的探测性能，仍是目前毫米波雷达设计的一个重要技术难点。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种变厚度双弧形毫米波雷达天线罩及设计方法，能改善天线罩的电性能指标，从而解决加载平面天线罩之后，雷达天线无源和与有源方向图在大角度存在凹陷的问题。
一种变厚度双弧形毫米波雷达天线罩的设计方法，包括以下步骤：
（1）以天线罩的底面中心为原点建立坐标系，定义底面为xy平面，天线罩的高度方向为z方向，建立天线罩的外形曲面方程：
其中，a、b、c、d、f为与天线罩的形状参数，x、y、z分别为坐标系的方向；
（2）定义天线发出的射线垂直于天线口面，可得天线射线在雷达罩坐标系的方向矢量（l,m,n），且定义雷达存在一点p(xp,yp,zp)，可得天线口面上任意一点发出射线的射线方程为：
（3）根据步骤（1）和步骤（2）中的外形曲面方程和射线方程联合求解，在求得的多组解中，得到实数解，求得天线射线与天线罩曲面的交点坐标(xr,yr,zr)；
（4）根据所述交点坐标(xr,yr,zr)，定义天线罩曲面的方向矢量为（u，v，w），可得天线射线与天线罩曲面入射面间的入射角θi为：
（5）定义天线射线与天线罩面交点处法线所确定的平面为入射平面，则电场矢量与入射的平面夹角为电波的极化角，此时天线射线与天线罩面形成的极化角ξ为：
其中，入射法线的方向矢量为（s1,s2,s3），天线电场矢量为（e1,e2,e3）；
（6）假设雷达是由多层介质组成，则根据微波传输理论可得其传输矩阵为：
其中[an]是多层模型的传输矩阵，而
其中：
结合多层介质平板级联矩阵传输计算公式可得天线射线投影到天线罩壁上的电参数，包括阻抗zcn，电压传输系数t，电压反射系数r，以及插入相位延迟ipd；
（7）根据得到的天线罩壁的电参数，经过优化迭代，得到天线罩的壁厚分布。
进一步的，所述步骤（6）的具体实现步骤为：
（6a）按下式计算阻抗zcn：
其中，为
（6b）当n=0，εo=1，zco表示为自由空间归一化阻抗，根据微波传输网络理论可得天线射线穿过天线罩壁的电压传输系数t：
其中，
（6c）按下式求得天线射线入射到罩壁上的电压反射系数r：
（6d）此时天线射线穿过天线罩壁的插入相位延迟ipd为：
进一步的，所述形状参数根据电磁波在不同入射角入射到天线罩壁的电压传输系数t、电压反射系数r以及插入相位延迟ipd的具体要求，根据电压传输系数t、电压反射系数r、以及插入相位延迟ipd的计算公式反推得出。
进一步的，所述步骤（7）的优化迭代的具体实现步骤为：
（7a）把天线罩的电压传输系数t、电压反射系数r以及插入相位延迟ipd作为输出结果；
（7b）把形状参数作为输入参数，利用仿真算法，根据每次形状参数的输入，计算天线罩的电压传输系数、电压反射系数及插入相位延迟；
（7c）若电压传输系数、电压反射系数及插入相位延迟至少一个不满足要求，重复步骤（7a）和步骤（7b）；若电压传输系数、电压反射系数及插入相位延迟都满足要求，则完成迭代。
一种变厚度双弧形毫米波雷达天线罩，所述天线罩的厚度通过如上述的设计方法设计，所述天线罩包括罩面和设于所述罩面周边的罩壁，所述罩面设有相邻的第一弧形结构和第二弧形结构，所述第一弧形结构和第二弧形结构的内表面及外表面均呈弧形。
进一步的，所述第一弧形结构和第二弧形结构的外表面之间形成有凹槽。
进一步的，所述第一弧形结构和第二弧形结构的内表面之间形成有隔离凸起，所述隔离凸起沿所述罩面的内表面竖直向下延伸。
进一步的，所述隔离凸起的截面呈矩形或倒梯形。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.利用双弧形天线罩，在设计天线罩时将发射和接收两部分分开处理，大大降低了设计难度。2.在天线罩主体中间壁有梯形隔离凸起，可以使天线罩相对于天线的结构为对称结构，进一步降低了天线罩的设计的难度。3.将天线罩设计为双弧形，可以使天线辐射与天线罩切面的夹角趋于一致，有效的减小了电磁波在大角度入射到天线罩切面使的损耗，进而可以增加大角度时电磁波在天线罩内透过量。4.天线罩的设计方法科学合理，降低了天线罩的设计难度，改善了天线罩的电性能指标。5.天线罩的厚度随天线的实际分布而改变，可以使电磁波在大角度入射到天线罩时，电磁波经过天线罩的波程趋于一致。综上所述，本发明既可以降低设计难度，提高设计效率，还可以使雷达满足不同环境与场景测速和测角需求。
附图说明
图1为本发明的变厚度双弧形毫米波雷达天线罩的设计方法的流程图。
图2为本发明的变厚度双弧形毫米波雷达天线罩的设计方法的优化迭代过程的流程图。
图3为本发明的变厚度双弧形毫米波雷达天线罩的结构示意图。
图4为本发明的变厚度双弧形毫米波雷达天线罩的剖面结构示意图。
图5为本发明的变厚度双弧形毫米波雷达天线罩的实施例中使用的天线结构示意图。
图6为天线tx1加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的反射系数对比图。
图7为天线tx2加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的反射系数对比图。
图8为天线rx1加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的反射系数对比图。
图9为天线rx2加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的反射系数对比图。
图10为天线rx3加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的反射系数对比图。
图11为天线rx4加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的反射系数对比图。
图12为天线tx1加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的h面方向图对比图。
图13为天线tx2加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的h面方向图对比图。
图14为天线rx1加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的h面方向图对比图。
图15为天线rx2加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的h面方向图对比图。
图16为天线rx3加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的h面方向图对比图。
图17为天线rx4加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的h面方向图对比图。
图18为天线rx4加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的另一频率的h面方向图对比图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细描述。
如图1和图2所示，本发明的变厚度双弧形毫米波雷达天线罩的设计方法包括以下步骤：
（1）以天线罩的底面中心为原点建立坐标系，定义底面为xy平面，天线罩的高度方向为z方向，建立天线罩的外形曲面方程：
其中，a、b、c、d、f为与天线罩相关的形状参数，x、y、z分别为坐标系的方向；
（2）定义天线发出的射线垂直于天线口面，可得天线射线在雷达罩坐标系的方向矢量（l,m,n），且定义雷达存在一点p(xp,yp,zp)，可得天线口面上任意一点发出射线的射线方程为：
（3）根据步骤（1）和步骤（2）中的外形曲面方程和射线方程联合求解，在求得的多组解中，得到实数解，求得天线射线与天线罩曲面的交点坐标(xr,yr,zr)；
（4）根据所述交点坐标(xr,yr,zr)，定义天线罩曲面的方向矢量为（u，v，w），可得天线射线与天线罩曲面入射面间的入射角θi为：
（6）定义天线射线与天线罩面交点处法线所确定的平面为入射平面，则电场矢量与入射的平面夹角为电波的极化角，此时天线射线与天线罩面形成的极化角ξ为：
其中，入射法线的方向矢量为（s1,s2,s3），天线电场矢量为（e1,e2,e3）；
（6）假设雷达是由多层介质组成，则根据微波传输理论可得其传输矩阵为：
其中[an]是多层模型的传输矩阵，
其中：
结合多层介质平板级联矩阵传输计算公式可得天线射线投影到天线罩壁上的电参数，包括阻抗zcn，电压传输系数t，电压反射系数r，以及插入相位延迟ipd；
（7）根据得到的天线罩壁的电参数，经过优化迭代，得到天线罩的壁厚分布。
其中，步骤（6）的具体实现步骤为：
（6a）按下式计算阻抗zcn：
其中，为
（6b）当n=0，εo=1，zco表示为自由空间归一化阻抗，根据微波传输网络理论可得天线射线穿过天线罩壁的电压传输系数t：
其中，
（6c）按下式求得天线射线入射到罩壁上的电压反射系数r：
（6d）此时天线射线穿过天线罩壁的插入相位延迟ipd为：
进一步的，所述形状参数根据电磁波在不同入射角入射到天线罩壁的电压传输系数t、电压反射系数r以及插入相位延迟ipd的具体要求，根据电压传输系数t、电压反射系数r、以及插入相位延迟ipd的计算公式反推得出。
请参考图2，步骤（7）的优化迭代的具体实现步骤为：
（7a）把天线罩的电压传输系数t、电压反射系数r以及插入相位延迟ipd作为输出结果；
（7b）把形状参数作为输入参数，利用仿真算法，根据每次形状参数的输入，计算天线罩的电压传输系数、电压反射系数及插入相位延迟；
（7c）若电压传输系数、电压反射系数及插入相位延迟至少一个不满足要求，重复步骤（7a）和步骤（7b）；若电压传输系数、电压反射系数及插入相位延迟都满足要求，则完成迭代。
如图3和图4所示，本发明提供了一种变厚度双弧形毫米波雷达天线罩，该天线罩的厚度通过上述的设计方法设计，天线罩包括罩面1和设于所述罩面1周边的罩壁2，罩面1设有相邻的第一弧形结构11和第二弧形结构12。定义罩面1位于罩壁2内的表面为内表面，位于内表面另一侧的一面为外表面，第一弧形结构11和第二弧形结构12的内表面及外表面均呈弧形。
其中，第一弧形结构11和第二弧形结构12的外表面之间形成有凹槽13。第一弧形结构11和第二弧形结构12的内表面之间形成有隔离凸起14，该隔离凸起14沿罩面1的内表面竖直向下延伸。本实施例中，隔离凸起14的截面呈矩形，其他实施例中，隔离凸起14的截面呈倒梯形或其他形状。通过设置凹槽13和隔离凸起14，可在第一弧形结构11和第二弧形结构12之间形成隔离，避免两者相互影响。
请参考图5，在一具体实施例中，天线包括发射天线3和接收天线4，发射天线3包括天线tx1和天线tx2，接收天线4包括天线rx1、天线rx2、天线rx3、以及天线rx4。
图6至图11分别是本实施案例中的发射天线3和接收天线4在加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的反射系数对比图。由图中可知本实施案例中变厚度双弧形毫米波雷达天线罩不会影响天线的工作频率与天线的工作带宽。
图12至图17是本实施案例中的发射天线3和接收天线4加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的h面方向图对比图。由图中可知加载天线罩的天线h面方向图与不加天线罩的雷达方向较为接近。而且相比平面天线罩，其h方向图在大角度存在凹陷的问题在加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后有明显改善，可见本发明可以很好的满足大角度探测需求。
图18为天线rx4加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩前与加载变厚度双弧形毫米波雷达天线罩后的另一频率的h面方向图对比图。可知在工作带宽范围(76-77ghz)内加载变厚度双弧形天线罩的天线辐射特性保持一致。
综上可知，本实施案例中变厚度双弧形毫米波雷达天线罩在不影响雷达天线工作频率及工作带宽的同时，并对雷达天线的辐射性能具有一定的提高。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。
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