CN114006176A - 一种高增益的60GHz毫米波阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于雷达技术领域，公开了一种高增益的60GHz毫米波阵列天线，天线包括天线面、介质层和接地板，天线面包括天线单元，一分二功分器和馈电点构成，天线单元为串联馈电形式，包括第一端和第二端，第一端为两列并行阵列天线，第二端为一列阵列天线，第一端和第二端由一分二功分器连接，天线单元的三列阵列天线和一分二功分器上布置阵元，三列阵列天线上的阵元尺寸为渐变，靠近一分二功分器的阵元尺寸最大，离一分二功分器越远的阵元尺寸越小，馈电点设置在第二端的一列阵列天线的与一分二功分器相对的一端。本发明的天线使用刀叉形阵列布局，增强天线的整体增益，压缩天线H面的主瓣带宽，增强雷达抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于毫米波雷达技术领域，尤其涉及一种高增益的60GHz毫米波阵列天线。
背景技术
随着我国电磁技术的不断提升、元器件成本的不断降低，加之新能源产业作为国家核心发展方向之一，民用车载毫米波雷达产品和应用如雨后春笋般涌现。作为智慧交通建设中的关键环节，车用毫米波雷达的相关频率划分受到了国家无线电管理部门的持续关注。我国无线电管理部门分别于2005年和2012年发文规定将76-77GHz和24.25-26.65GHz作为车载雷达业务的频率，而对于60GHz毫米波频段，目前还没有特别规定，但日本已将60GHz毫米波雷达作为交通行业的工作频段之一。随着我国交通强国策略的不断推进，60GHz也或将成为车载毫米波雷达的工作频段之一。
天线作为毫米波电磁信号转换过程中的关键器件，其功能好坏直接关系到系统的信号质量。目前市场上成品较少，存在开发难度较高的问题以及各国对毫米波车载雷达频段使用混乱的问题。公开号CN201510347118.6的中国专利公开的一种用于60GHz毫米波通信的悬置微带天线阵列及其天线，天线增益相对较低。且主瓣宽度较宽时，容易检测到行驶车道之外的物体，不利于车载雷达远距离通信和抗干扰的提升。
发明内容
为60GHz毫米波产品进行关键技术储备和填补60GHz毫米波车载阵列天线的空缺，本发明针对60GHz远距离车载毫米波雷达应用场景，基于罗杰斯3003型号高频板材（介电常数为3.0，损耗正切值为0.001，厚度为0.127mm），利用仿真软件将天线工作频率设计在60~64GHz频带内。通过使用一分二功分器设计成“刀叉”型阵元组合，在压缩天线方位面角度的同时保持18dBi高增益，并采用渐变形式的阵元分布来压低旁瓣电平。
本发明公开的高增益的60GHz毫米波阵列天线，包括天线面、介质层和接地板，所述天线面包括天线单元，一分二功分器和馈电点构成，所述天线单元为串联馈电形式，第一端为两列并行阵列天线，第二端为一列阵列天线，第一端和第二端由一分二功分器连接，天线单元的三列阵列天线和一分二功分器上布置阵元，三列阵列天线上的阵元尺寸为渐变，靠近一分二功分器的阵元尺寸最大，离一分二功分器越远的阵元尺寸越小，所述馈电点设置在第二端的一列阵列天线的与一分二功分器相对的一端。
进一步地，所述天线单元第一端的两列并行阵列天线上的阵元相对设置。 进一步地，所述介质层采用罗杰斯3003型号高频板材制成，所述板材的介电常数和损耗角分别为3.0和0.001。
进一步地，所述介质层厚度为0.127mm。
进一步地，所述接地板层的长为70mm，宽为65mm，高为0.025mm。
本发明的有益效果如下：
1. 不同于大多数工作在24GHz或者77GHz的毫米波阵列天线，本发明是工作在60GHz的高增益毫米波天线。
2. 本发明的阵列形式为串联馈电形式，第一端通过使用两列并行阵列天线，组成一种新型“刀叉”阵列布局，可增强天线的整体增益，压缩天线H面的主瓣带宽，使得能量更为集中，增强雷达的抗干扰能力。
附图说明
图1本发明的天线结构侧视图；
图2本发明的天线结构主视图；
图3本发明天线阵列结构图；
图4本发明的阵列天线的S参数图；
图5本发明的阵列天线二维方向图；
图6本发明与现有天线的对比图；
图7本发明与现有天线的H平面主瓣波束宽度对比图。
其中1-天线面，2-介质层，3-接地板，4-阵元，5-一分二功分器，6-馈电点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明公开的高增益的60GHz毫米波阵列天线，如图1和图2所示，包括天线面1、介质层2和接地板3。如图3所示，天线面1包括天线单元4，一分二功分器5和馈电点6构成，其中天线单元为串联馈电形式，为刀叉形，第一端为两列并行阵列天线，为刀叉形的刀叉部分，第二端为一列阵列天线，为刀叉形的刀把部分，第一端和第二端由一分二功分器连接，天线单元的三列阵列天线和一分二功分器上布置阵元，三列阵列天线上的阵元尺寸为渐变，靠近一分二功分器的阵元尺寸最大，离一分二功分器越远的阵元尺寸越小，馈电点设置在第二端的一列阵列天线的与一分二功分器相对的一端。采用渐变形式的阵元分布可以有效压低旁瓣电平。
天线单元第一端的两列并行阵列天线上的阵元相对设置。
在某些实施例中，天线的第一端可以是三列或更多列的并行阵列天线组成，相应地，连接第一端和第二端的功分器为一分三功分器或一分四功分器等。
优选地，介质层2采用的高频材料为罗杰斯3003型号高频板材，该板材的介电常数和损耗角分别为3.0和0.001，介质层厚度为0.127mm。
优选地，接地板层3的长为70mm，宽为65mm，高为0.025mm。接地板的结构为本领域技术人员公知技术，在此不再赘述。
图4为本发明“刀叉”形阵列天线的S参数，图中横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为S参数值，单位为dB。S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。由图中可见，本发明的“刀叉”形阵列在60GHz-64GHz带宽内，天线具备良好的工作能力。
图5为本发明“刀叉”形阵列天线的二维方向图（E-Plane），图中横坐标代表不同的角度，单位为度，纵坐标为增益值，单位为dBi。天线方向图一般是一个三维空间的曲面图形，但工程上为了方便，常采用通过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方向图。这两个相互正交的平面称之为主面，对于极化天线来说通常取为E面和H面。 E面指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面，H面指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。从图中可见，本发明“刀叉”形阵列天线的二维方向图俯仰面（E-Plane）峰值增益为18dBi，具备较远的探测距离。
图6为对比天线1（现有的常规天线布局）和本发明的天线2（“刀叉”形天线）的对比示意图。图7为63GHz下的对比天线1和本发明的天线2的H平面主瓣波束宽度的对比图，本发明的刀叉形天线由于在水平面增加了一行阵子，所以在H平面具备较窄的波束宽度，阵列具有较强的波束指向性和低副瓣性能。对于车载毫米波雷达而言，这意味着能量更集中，具备较强的抗干扰能力。
本发明中未详细介绍的部分为本领域技术人员的公知技术。
本发明的有益效果如下：
1. 不同于大多数工作在24GHz或者77GHz的毫米波阵列天线，本发明是工作在60GHz的高增益毫米波天线。
2. 本发明的阵列形式为串联馈电形式，第一部分通过使用两列并行阵列天线，组成一种新型“刀叉”阵列布局，可增强天线的整体增益，压缩天线H面的主瓣带宽，使得能量更为集中，增强雷达的抗干扰能力。
本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。
而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。
综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高增益的60GHz毫米波阵列天线，包括天线面、介质层和接地板，其特征在于，所述天线面包括天线单元，一分二功分器和馈电点构成，所述天线单元为串联馈电形式，包括第一端和第二端，所述第一端为两列并行阵列天线，所述第二端为一列阵列天线，所述第一端和第二端由所述一分二功分器连接，在所述天线单元的三列阵列天线及在所述一分二功分器与三列阵列天线垂直的方向上布置阵元，三列阵列天线上的阵元尺寸为渐变，靠近所述一分二功分器的阵元尺寸最大，离所述一分二功分器越远的阵元尺寸越小，所述馈电点设置在所述第二端的一列阵列天线的与所述一分二功分器相对的一端。
2.根据权利要求1所述的高增益的60GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述天线单元第一端的两列并行阵列天线上的阵元相对设置。
3.根据权利要求1所述的高增益的60GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述介质层采用罗杰斯3003型号高频板材制成，所述板材的介电常数和损耗角分别为3.0和0.001。
4.根据权利要求1所述的高增益的60GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述介质层厚度为0.127mm。
5.根据权利要求1所述的高增益的60GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述接地板层的长为70mm，宽为65mm，高为0.025mm。
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