一种微带串馈天线及毫米波雷达的制作方法

1.本实用新型属于天线技术领域，具体涉及一种微带串馈天线及毫米波雷达。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前毫米波雷达被广泛应用在医疗检测、人员监测、交通探测等领域，具有探测精度高，角度分辨率优且探测距离远等优势近年来逐步受到重视。天线作为电信号与电磁信号转换的部件是雷达不可或缺的一部分，在众多天线形式之中，微带天线因具有易集成、低剖面、小尺寸、增益较高且波束窄等优势，已成为该频段雷达天线的发展趋势。
4.但据发明人了解，由于技术发展限制，以及蚀刻及多层板压合等加工环节的工艺精度欠缺，目前的微带式毫米波雷达天存在以下问题：
5.1.过分追求高增益、窄波束等特性，导致雷达整体的增益平坦度较差，且此类产品应用场景过于狭窄，产品基本不具备可移植性；
6.2.采用多层结构、多电子器件(例如开关二极管、贴片电容/阻等)形式，导致天馈部分过于复杂且严重影响了整机尺寸；
7.3.采用漏波形式的天线，虽具备均匀的外部场强，但牺牲了较大的功率，电磁能量的利用率不高；
8.4.采用基片集成波导(siw)形式的缝隙天线，此类天线结合了波导与微带两者的优点，理论上具备较好的传输及辐射特性，但由于存在较多缝隙及接地通孔，考虑到毫米波频段的复杂性及现有加工工艺水准之间的鸿沟，往往导致设计阶段性能良好，但实际成品的性能达不到设计初衷。


技术实现要素：

9.本实用新型为了解决上述问题，提出了一种微带串馈天线及毫米波雷达，本实用新型具有易集成、高增益、高角度分辨率、易加工，可实现中、远距离探测的优点。
10.根据一些实施例，本实用新型采用如下技术方案：
11.一种微带串馈天线，包括介质基板，所述介质基板上设置有若干接收通道和发射通道，所述接收通道、发射通道均和毫米波雷达芯片连接；
12.所述接收通道所在区域和所述发射通道的所在区域相互隔离；
13.所述接收通道和发射通道结构相同，均包括多个微带贴片，所述微带贴片之间通过微带传输线两两相连，且每个微带贴片上设置有两道对称设置的槽。
14.上述技术方案中，通过电磁阻带技术，将发射区和接收区分割为两个独立区域，增大隔离度，减少互扰；同时，微带贴片上设置有缝隙，能够控制不同贴片的电流分布，从而明显降低了副瓣电平。
15.作为可选择的实施方式，所述微带贴片均经过道尔夫
‑
切比雪夫电流综合处理。
16.作为可选择的实施方式，同一通道的各微带贴片，位于中心位置的微带贴片宽度最大，位于边缘的微带贴片宽度最小，且不同位置的微带贴片宽度递减。
17.作为可选择的实施方式，所述接收通道有四路，所述发射通道有两路，所述接收通道、发射通道均通过接地共面波导传输线与毫米波雷达芯片电气连接。
18.作为可选择的实施方式，所述接收通道和发射通道的馈电端，均通过一对开路短截线与所述接地共面波导传输线相连。
19.作为进一步的实施方式，所述一对开路短截线的长度不相同。
20.当所述天线为基于77ghz毫米波雷达的天线时，较长的开路短截线的长度为1.3mm，较短的开路短截线的长度为0.2mm。
21.作为可选择的实施方式，所述介质基板为双层结构，上层的共面波导与下层的地通过接地通孔导通。
22.作为可选择的实施方式，所述天线为基于77ghz毫米波雷达的天线时，所述槽的宽度为0.09mm。
23.作为可选择的实施方式，所述槽为l形，且l形槽的短边位于远离所述开路短截线的一侧，且向内侧设置，l形槽的长边与微带贴片的长边平行设置。
24.作为可选择的实施方式，所述接收通道所在区域和所述发射通道的所在区域之间设置有接地电磁阻带，所述接地电磁阻带的宽度范围为十倍介质波长或以上。
25.作为可选择的实施方式，所述接收通道所在区域和所述发射通道的所在区域的间距大于第一设定值，且各发射通道之间间距大于第二设定值，第一设定值和第二设定值都远大于介质波长。
26.一种毫米波雷达，包括上述微带串馈天线。
27.所述天线与信号层和电源层进行压合集成处理。
28.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
29.本实用新型利用道尔夫
‑
切比雪夫电流综合法，确定贴片宽度及贴片间距值，合理控制不同贴片的电流分布，从而明显降低了副瓣电平，在一定范围内提高主副电平之比，从而显著减小了天线间的互扰，提高了信道的信噪比，拓展了雷达的工作范围。
30.本实用新型利用贴片曲流技术，为贴片开槽，通过槽/缝隙设置，以及合适的缝隙宽度，以实现最大化阻抗带宽，提高了雷达角度分辨率。
31.本实用新型通过在发射区域和接收区域设置接地电磁阻带或隔离间距的方式，有效减小了发射端与接收端的互扰现象，增加了发射天线之间及与接收天线之间的隔离度，基本实现了在同等波束宽度下较高的收发隔离度，或在同等隔离度之下较宽的波束覆盖范围。
32.本实用新型提供的天线整体模块化，随时可以更换现有产品的天线部分，具有较广的适用范围，有利于未来雷达应用，可进行简单的组合，即可形成新款天线，大幅缩短了开发周期。
33.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
34.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
35.图1是实施例一的天线结构示意图；
36.图2是实施例一的天线结构放大示意图；
37.图3是实施例二的天线回波损耗仿真结果图；
38.图4是实施例二的天线频率_增益曲线仿真结果图；
39.图5是实施例二的天线俯仰角主副瓣电平(归一化)仿真结果图；
40.图6是实施例二的天线发射
‑
接收隔离度仿真结果图；
具体实施方式：
41.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
42.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
43.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
44.在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。
45.本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。
46.实施例一：
47.如图1所示，提供一种77ghz毫米波雷达天线。
48.一种毫米波雷达天线，基于某型77ghz毫米波雷达芯片实现，对芯片型号并不作限制，现有芯片即可。本天线具有易集成(在本实施例中，可以通过pbga技术与芯片封装在一起)、高增益、高角度分辨率、易加工，可实现中、远距离探测的优点。
49.如图1所示，一种毫米波雷达天线，采用双发四收形式，采用某型77ghz毫米波雷达芯片(11)，共有4路接收通道和2路发射通道，通过封装技术，6路射频通道(或称为收发天线)(即接收通道和发射通道)与接地共面波导传输线(1)进行焊接，并最终与6根终端收发天线实现电气导通。
50.基于互易定理，6根收发天线在物理结构及尺寸上完全相同，均由6片经过电流锥削处理的微带贴片(3)，微带贴片(3)中心位置通过近似于二分之一介质波长的微带传输线
(5)两两相连，且每片微带贴片(3)上各开有两个对称的l形缝隙(4)。
51.贴片天线的馈电端通过一对(一短一长)开路短截线(2)与上述接地共面波导传输线相连。
52.天线采用双层结构，在本实施例中，介质基板采用 rogers_ro4350b(7)，上层共面波导(6)与下层地(gnd)通过接地通孔(8)导通，并在发射区及接收区之间设置了狭长的电磁阻带(10)。
53.当然，在具体应用时，天线层一般会与下方信号层、电源层等进行压合集成处理，通过金属螺丝(9)进行机械强度加固。
54.综上，实施例一通过适宜的空间隔离及接地电磁阻带的设计，具备了良好的收发隔离度；同时，通过巧妙的设计，包括双开路枝节、切比雪夫电流综合、贴片曲流等技术，达到了拓宽阻抗带宽、双谐振、抑制副瓣电平、高前后比、方向图控制及平坦的增益曲线的目的。
55.实施例二：
56.本实施例与实施例一的不同之处，本实施例结合具体参数，对本实用新型的技术方案进行进一步的详细描述。
57.另外，本实施例中，为增大发射天线间，以及发射与接收天线间隔离度，采取了以下措施：
58.在发射区与接收区之间设置了宽度适宜(十倍介质波长左右)的接地电磁阻带，有效减小了发射端与接收端的互扰现象；
59.或/和：
60.采用空间隔离，在发射区与接收区之间选取合适(远大于介质波长)的间距，在本实施例中，间距gap1＝7.62mm，在2根发射天线之间同样选取合适(远大于介质波长)的间距，在本实施例中，此间距gap2＝6.3mm，此措施有效增加了发射天线之间及与接收天线之间的隔离度。
61.如图2所示，在本实施例中，介质基板采用单层rogers_ro4350b 高频板，板厚0.101mm，在工作频率下介电常数及损耗角正切分别为3.66和0.004，上下覆铜层厚度为1oz。
62.微带天线采用双发四收形式，如图2所示，微带天线的贴片均经过道尔夫
‑
切比雪夫电流综合处理，用于电流锥削以减小副瓣电平，根据切比雪夫锥削公式计算，自中心贴片向两侧贴片分布电流比为 i3:i2:i1＝1:0.756:0.468，后经仿真软件(在本实施例中，使用ansys hfss，下同)优化得出各贴片实际宽度(自中心贴片向两边递减)、贴片间传输线长度和宽度分别为w3＝1.3mm，w2＝0.98mm， w1＝0.61mm，l2＝0.85mm，w4＝0.1mm。此外，根据矩形线极化贴片天线公式计算，贴片长度为l1＝0.98mm。
63.为最大化阻抗带宽，从而提高雷达角度分辨率，创新性的在贴片中引入双l形对称开槽，并在馈电端引入双开路短截线结构，根据史密斯圆图阻抗计算及仿真软件结果优化，当开槽宽度及两根开路短截线长度分别为w_slot＝0.09mm，l3＝0.2mm，l4＝1.3mm时，天线获得最理想的阻抗带宽。另外，开路短截线一端与微带传输线相连形成电气导通，根据阻抗计算器计算，该传输线适宜宽度为 w_feed＝0.18mm。
64.当然，在其他实施例中，上述参数任一项或多项都可以改变。
65.本实施例利用电磁阻带技术，将发射区和接收区分割为两个独立区域，增大隔离度，减少互扰。
66.同时，通过实验仿真，发现还具有以下效果：
67.1.阻抗带宽(以10db为基准)提升：
68.如图3所示，本实施例10db带宽覆盖76g
‑
81ghz，相对带宽在 6％以上，与市场同类产品相比阻抗带宽提高30％以上(同类产品常见 10db带宽在3ghz以内)。
69.2.增益平坦度提升：
70.由于串馈天线具有扫频天线的特性(即波束主瓣的方向随输入频率的变化而变化)，因此在雷达工作时往往会出现最大增益方向的连续变化，不利于雷达固定角度下的场景应用；如图4所示，本实施例在76
‑
81ghz内，法线方向增益变化在2.5db以内，与市场同类产品相比下降30
‑
50％。
71.3、较低副瓣电平：
72.本实施例采用了切比雪夫电流综合法，通过对贴片电流的锥削处理，合理控制不同贴片的电流分布，从而明显降低了副瓣电平，主副电平之比在16db以上，从而显著减小了天线间的互扰，提高了信道的信噪比。
73.4.发射端与接收端
74.如图6所示，经过仿真实验，本实施例在76
‑
81ghz工作频带内收发隔离度(两根最接近的接收与发射天线之间)在30db以上，达到了市场中同类产品的高水准，基本实现了在同等波束宽度下较高的收发隔离度，或在同等隔离度之下较宽的波束覆盖范围。
75.实施例三：
76.一种雷达，应用上述实施例中的天线。
77.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
78.上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。