一种雷达天线、车载毫米波雷达及汽车的制作方法

1.本实用新型涉及天线技术领域，特别涉及一种雷达天线、车载毫米波雷达及汽车。


背景技术：

2.随着汽车自动驾驶技术的广泛推动，毫米波雷达作为自动驾驶关键的感知部件，越来越受到汽车主机厂和自动驾驶算法厂家的关注，目前越来越多的国内雷达厂家开始进行车载毫米波雷达产品的研发。
3.从雷达天线设计原理来讲，串阵天线更简单容易实现，是常规的毫米波雷达天线，由于增益高，覆盖范围大，容易匹配阻抗，在毫米波雷达的车载领域、工业领域和无人监控领域被广泛使用，但缺点也非常明显，就是线阵尺寸较长，在pcb(printed circuit board，印制电路板)布局布线时比较困难，需要增大pcb的尺寸面积才能完成布线，由于pcb板尺寸增加，对应的外壳尺寸、包装盒尺寸也需要做大，而大的包装盒尺寸也会影响到运输成本，虽然在某些行业不太关心产品的尺寸大小，但用在汽车上的毫米波雷达，由于安装位置有限，安装角度有要求，这就要求毫米波雷达产品尽量小型化，便于在有限的车辆保险杠内安装，由此需要开发一种小型化尺寸的天线，来满足车载雷达的提及要求。


技术实现要素：

4.本实用新型公开了一种雷达天线、车载毫米波雷达及汽车，用于在满足相关指标的前提下缩短天线长度。
5.为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
6.第一方面，本实用新型提供一种雷达天线，包括：介质基板以及设置于所述介质基板上的多个发射天线和多个接收天线，所述发射天线和所述接收天线通过馈线与芯片连接；
7.所述发射天线包括第一连接线以及与所述第一连接线连接的多个第一阵元，且各个第一阵元左右交错排布于所述第一连接线两侧；多个所述发射天线沿第一方向排列，且相邻两个所述发射天线之间的间距均不相等；
8.所述接收天线包括第二连接线以及与所述第二连接线连接的多个第二阵元，且各个第二阵元左右交错排布于所述第二连接线两侧；多个所述接收天线沿所述第一方向排列，且相邻两个所述接收天线之间的间距均不相等。
9.上述雷达天线通过阵元(第一阵元或者第二阵元)左右交错排布于连接线(第一连接线或者第二连接线)两侧，形成交叉梳形天线结构，在不降低天线增益和方向图的情况下，提高天线的带宽，同时减小天线尺寸长度，在满足毫米波雷达探测范围要求的前提下，减小pcb板尺寸面积，缩小产品外壳体积，降低pcb物料、外壳物料以及包装箱和运输成本，有利于提升产品竞争力。
10.可选地，沿所述第一方向，相邻两个所述发射天线之间的间距逐渐增大；
11.沿所述第一方向，相邻两个所述接收天线之间的间距逐渐增大。
12.可选地，所述雷达天线包括沿所述第一方向依次排列的第一发射天线、第二发射天线和第三发射天线，以及沿所述第一方向依次排列的第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和第四接收天线，所述第一发射天线与所述第三发射天线之间的距离为l1，所述第一接收天线与所述第四接收天线之间的距离l2，且l1与l2满足：2.5λ≤l1+l2≤30λ，λ为雷达信号波长。
13.可选地，所述第一发射天线与所述第二发射天线的间距d1为：所述第二发射天线与所述第三发射天线的间距d2为：
14.所述第一发射天线与所述第二发射天线的间距d1为：所述第二发射天线与所述第三发射天线的间距d2为：
15.其中，λ为雷达信号波长。
16.可选地，所述雷达天线包括沿所述第一方向依次排列的第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和第四接收天线，所述第一接收天线与所述第二接收天线的间距d1为：所述第二接收天线与所述第三接收天线的间距d2为：所述第三接收天线与所述第四接收天线的间距d3为：
17.其中，λ为雷达信号波长。
18.可选地，任意一个所述发射天线中，位于第一连接线左侧和/或右侧的相邻两个第一阵元的间距为，其中，λg为雷达信号在所述介质基板中的介质波长。
19.可选地，任意一个所述接收天线中，位于第二连接线左侧和/或右侧的相邻两个第二阵元的间距为，其中，λg为雷达信号在所述介质基板中的介质波长。
20.可选地，任意一个所述发射天线中，第一阵元的宽度自第一连接线的中部向两端逐渐减小。
21.可选地，任意一个所述接收天线中，第二阵元的宽度自第二连接线的中部向两端逐渐减小。
22.第二方面，本实用新型还提供一种车载毫米波雷达，包括如第一方面中任一项所述的雷达天线。
23.第三方面，本实用新型还提供一种汽车，包括如第二方面中所述的车载毫米波雷达。
附图说明
24.图1为本实用新型实施例提供的一种雷达天线的结构示意图；
25.图2为本实用新型实施例提供的一种雷达天线形成的虚拟阵列示意图；
26.图3为本实用新型实施例提供的一种雷达天线在76.5ghz频段的天线驻波比s11
图；
27.图4为本实用新型实施例提供的一种雷达天线在76.5ghz频段的天线增益图；
28.图5为本实用新型实施例提供的一种雷达天线在76.5ghz频段的3d方向图；
29.图6为本实用新型实施例提供的一种雷达天线在76ghz频段的俯仰面方向图；
30.图7为本实用新型实施例提供的一种雷达天线在76.5ghz频段的俯仰面方向图；
31.图8为本实用新型实施例提供的一种雷达天线在77ghz频段的俯仰面方向图；
32.图9为本实用新型实施例提供的一种雷达天线在76ghz频段的水平面方向图；
33.图10为本实用新型实施例提供的一种雷达天线在76.5ghz频段的水平面方向图；
34.图11为本实用新型实施例提供的一种雷达天线在77ghz频段的水平面方向图。
35.图标：100-介质基板；200-发射天线；300-接收天线；400a-馈线；400b-馈线；500-芯片；210-第一连接线；220-第一阵元；310-第二连接线；320-第二阵元。
具体实施方式
36.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，本领域普通技术人员在没有做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。
37.第一方面，如图1所示，本实用新型实施例提供了一种雷达天线，包括：介质基板100以及设置于介质基板100上的多个发射天线200和多个接收天线300，发射天线200和接收天线300通过馈线与芯片500连接；
38.发射天线200包括第一连接线210以及与第一连接线210连接的多个第一阵元220，且各个第一阵元220左右交错排布于第一连接线210两侧；多个发射天线200沿第一方向排列，且相邻两个发射天线200之间的间距均不相等；
39.接收天线300包括第二连接线310以及与第二连接线310连接的多个第二阵元320，且各个第二阵元320左右交错排布于第二连接线310两侧；多个接收天线300沿第一方向排列，且相邻两个接收天线300之间的间距均不相等。
40.上述雷达天线通过阵元(第一阵元220或者第二阵元320)左右交错排布于连接线(第一连接线210或者第二连接线310)两侧，形成交叉梳形天线结构，在不降低天线增益和方向图的情况下，提高天线的带宽，同时减小天线尺寸长度，在满足毫米波雷达探测范围要求的前提下，减小pcb板尺寸面积，缩小产品外壳体积，降低pcb物料、外壳物料以及包装箱和运输成本，有利于提升产品竞争力。
41.一种可能实现的方式中，参照图1，多个发射天线200沿第一方向(图1中x方向)排列，且相邻两个发射天线200之间的间距均不相等，各个发射天线200的第一连接线210均沿第二方向(图1中y方向)延伸，且任意一个发射天线200中各个第一阵元220左右交错排布于第一连接线210两侧，第二方向与第一方向垂直，发射天线200通过馈线400a与芯片500连接；多个接收天线300沿第一方向(图1中x方向)排列，且相邻两个接收天线300之间的间距均不相等，各个接收天线300的第二连接线310均沿第二方向(图1中y方向)延伸，且任意一个接收天线300中各个第二阵元320左右交错排布于第二连接线310两侧，接收天线300通过馈线400b与芯片500连接；沿第二方向(图1中y方向)，发射天线200位于馈线400a背离馈线
400b一侧，接收天线300位于馈线400b背离馈线400a一侧。
42.一种可能实现的方式中，介质基板100为罗杰斯3003g2板材，介电常数为3.07(测试频率为77ghz)，介质厚度为0.13mm，介质损耗角为0.0011。
43.可选地，沿第一方向，相邻两个发射天线200之间的间距逐渐增大；
44.沿第一方向，相邻两个接收天线300之间的间距逐渐增大。
45.一种可能实现的方式中，继续参照图1，发射天线200为三个，依次标记为tx1、tx2、tx3，沿第一方向，相邻两个发射天线200之间的间距逐渐增大，即tx1与tx2的间距为d1，tx2与tx3的间距为d2，d1＜d2；接收天线300为四个，依次标记为rx1、rx2、rx3、rx4，沿第一方向，相邻两个接收天线300之间的间距逐渐增大，即rx3与rx4的间距为d1，rx3与rx2的间距为d2，rx2与rx1的间距为d3，d1＜d2＜d3。
46.可选地，雷达天线包括沿第一方向依次排列的第一发射天线200、第二发射天线200和第三发射天线200，以及沿第一方向依次排列的第一接收天线300、第二接收天线300、第三接收天线300和第四接收天线300，第一发射天线200与第三发射天线200之间的距离为l1，第一接收天线300与第四接收天线300之间的距离l2，且l1与l2满足：2.5λ≤l1+l2≤30λ，λ为雷达信号波长。
47.一种可能实现的方式中，继续参照图1，第一发射天线200、第二发射天线200和第三发射天线200依次标记为tx1、tx2、tx3，第一接收天线300、第二接收天线300、第三接收天线300和第四接收天线300依次标记为rx4、rx3、rx2、rx1，tx1与tx3的间距为l1，rx4与rx1的间距为l2，且l1与l2满足：2.5λ≤l1+l2≤30λ，λ为雷达信号波长。
48.可选地，第一发射天线200与第二发射天线200的间距d1为：第二发射天线200与第三发射天线200的间距d2为：
49.第一接收天线300与第二接收天线300的间距d1为：第二接收天线300与第三接收天线300的间距d2为：第三接收天线300与第四接收天线300的间距d3为：
50.其中，λ为雷达信号波长。
51.一种可能实现的方式中，继续参照图1，tx1与tx2的间距d1为6个半波长即3个雷达信号波长(如11.4mm)，tx2与tx3的间距d2为8个半波长即4个雷达信号波长(如15.2mm)，rx3与rx4的间距d1为4个半波长即2个雷达信号波长(如7.6mm)，rx3与rx2的间距d2为5个半波长(如9.5mm)，rx2与rx1的间距d3为6个半波长即3个雷达信号波长(如11.4mm)。
52.需要说明的是，工作在76-81ghz的汽车毫米波雷达由于频率较高，雷达天线常常采用串馈微带线阵形式。普通的中心馈电形式的串馈线阵为了保证各阵元同相位馈电，从而获得较高的增益和法向辐射，阵元间距通常近似为一个介质波长λg，且其阻抗带宽在该频段常常只有1ghz左右(介质厚度0.13mm)，为进一步缩小天线的尺寸，提高阻抗带宽，阵元(第一阵元220或者第二阵元320)左右交错排布于连接线(第一连接线210或者第二连接线310)两侧，形成交叉梳形天线结构，在相同阵元数的前提下，其长度尺寸(如图1中为
12.47mm)只有普通串馈阵(如23.59mm)的一半左右，其阻抗带宽可以达到2ghz。
53.可选地，任意一个发射天线200中，位于第一连接线210左侧和/或右侧的相邻两个第一阵元220的间距为，其中，λg为雷达信号在介质基板100中的介质波长。
54.一种可能实现的方式中，每个发射天线200中包括多个第一阵元220，第一阵元220的数目范围为5-17个，分别交替排列在第一连接线210两侧，第一连接线210同侧中相邻两个第一阵元220间距为0.5倍的介质波长λg。
55.可选地，任意一个接收天线300中，位于第二连接线310左侧和/或右侧的相邻两个第二阵元320的间距为，其中，λg为雷达信号在介质基板100中的介质波长。
56.一种可能实现的方式中，每个接收天线300中包括多个第二阵元320，第二阵元320的数目范围为5-17个，分别交替排列在第二连接线310两侧，第二连接线310同侧中相邻两个第二阵元320间距为0.5倍的介质波长λg。
57.一种可能实现的方式中，接收天线300的数目大于发射天线200的数目；接收天线300的第二阵元320数目与发射天线200的第一阵元220数目相同。
58.可选地，任意一个发射天线200中，第一阵元220的宽度自第一连接线210的中部向两端逐渐减小。
59.一种可能实现的方式中，继续参照图1，每个发射天线200中包括9个第一阵元220，各个第一阵元220第二方向上的宽度分别为w1-w9，其中，发射天线200中中间的第一阵元220宽度w5最大，两端的第一阵元220宽度依次递减。
60.可选地，任意一个接收天线300中，第二阵元320的宽度自第二连接线310的中部向两端逐渐减小。
61.一种可能实现的方式中，继续参照图1，每个接收天线300中包括9个第二阵元320，各个第二阵元320第二方向上的宽度分别为w1-w9，其中，接收天线300中中间的第二阵元320宽度w5最大，两端的第二阵元320宽度依次递减。
62.一种可能实现的方式中，参照图2，tx1与tx2的距离为6个半波长tx2与tx3的距离为8个半波长rx1与rx2的距离为6个半波长rx2与rx3的距离为5个半波长rx3与rx4的距离为4个半波长发射天线200和接收天线300形成的虚拟阵列(图2中区域a)为29个半波长
63.需要说明的是，图2中区域a内虚线圆表示tx1发射信号，rx4、rx3、rx2、rx1接收信号；单点划线圆表示tx2发射信号，rx4、rx3、rx2、rx1接收信号，其中，rx1下方的上下排列的单点划线圆与虚线圆为重合的区域，为区分二者故而上下排列；双点划线圆表示tx3发射信号，rx4、rx3、rx2、rx1接收信号。
64.本实用新型实施例通过对线阵雷达指标的技术分析，针对天线的s11、增益、方向图等关键指标进行优化设计，采用减少天线长度的办法，将串阵调整在左右交叉的梳形线阵，在满足相关指标的前提下，将天线长度缩短一半，从而将毫米波雷达体积减少30％以
上，使用相关仿真软件进行天线的指标验证，可以确认本实用新型实施例提供的交叉梳形线阵可以满足毫米波雷达指标的要求，同时降低产品成本、方便生产安装调试。
65.参照图3，上述雷达天线的回波损耗s11(驻波)，在76ghz-77ghz频段范围内回波损耗s11小于-14db，具有良好的阻抗匹配特性，并且在75.5ghz-77.5ghz带宽内s11近似小于-10db，具有2ghz的阻抗带宽。
66.参照图4，上述雷达天线增益大于14.3dbi，并且在76ghz-77ghz频段范围内具有良好的增益平坦度。
67.参照图5-图11，从天线俯仰面和水平面方向图可以看出，天线在76ghz-77ghz频段范围内具有良好的方向图一致性，其副瓣电平sll《-18.5db，3db波束宽度俯仰面为
±9°
，水平面
±
25
°
，并且其最大辐射方向均在0
°
，没有出现在串馈线阵中由于工作频率的不同而常常出现的方向图偏转现象。
68.使用相关仿真软件进行天线的指标验证，上述雷达天线在工作频段内，其回波损耗s11《-14db，增益》14.3dbi，副瓣电平sll《-18.5db，3db波束宽度俯仰面为
±9°
，水平面
±
25
°
，满足中远距汽车雷达的使用要求，并且还可以将该线阵作为子阵组成多线阵使用。
69.第二方面，基于同样的发明构思，本实用新型的实施例还提供一种车载毫米波雷达，包括如第一方面实施例中任一种雷达天线。
70.第三方面，本实用新型的实施例还提供一种汽车，包括如第二方面实施例中的车载毫米波雷达。
71.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。