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CN118472634B - 一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法 - Google Patents

一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法 Download PDF

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CN118472634B CN202410940506.4A CN202410940506A CN118472634B CN 118472634 B CN118472634 B CN 118472634B CN 202410940506 A CN202410940506 A CN 202410940506A CN 118472634 B CN118472634 B CN 118472634B
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Abstract

本发明公开了一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法，它包括如下步骤：步骤S1、在天线罩上设置两个龙伯透镜；步骤S2、对两个所述龙伯透镜进行平面化处理；步骤S3、对两个所述龙伯透镜进行去耦化处理。本发明提供一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法，将传统球形进行平面化设计，易于实现雷达的隐形安装。采用双透镜设计，可以极大化减弱收发天线的边缘效应，保证收发天线在扫频过程中不会存在在透镜边缘处增益骤减的风险。采用双平面透镜去耦化的方法，对双平面透镜的外形、结构和材质进行设计和仿真，大幅优化双平面透镜在大角度工作时引入的耦合影响，提升雷达性能。

Description

一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法
技术领域
本发明涉及一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法，属于车载雷达技术领域。
背景技术
目前，在车载雷达领域，为了保证行车安全并实现毫米波雷达的长距离探测，通常采用24GHz频段的透镜雷达进行前向目标的探测和识别。当前透镜雷达的天线罩采用常规半球形龙伯透镜实现，采用透镜天线罩可以有效增大天线增益，实现雷达的远距离探测功能；而非透镜雷达则采用线阵和面阵的天线形式，来实现天线的高增益和远距探测。
现有技术中，绝大部分透镜雷达用24GHz频段的透镜雷达进行前向目标的探测和识别，受限于当前法规限制，24GHz频段在新产品开发中受到限制，因此需要转向76-81GHz频段。同时当前透镜雷达的天线罩采用常规半球形龙伯透镜实现，受限于球形结构，整体雷达的整体厚度偏大，在车身安装中共型性太差，无法实现有效的隐形安装；同时当前透镜天线罩为发射天线和接收天线共用，随着当前4D毫米波雷达的兴起，发射和接收天线数量不断增加，必然存在天线位于透镜天线罩的边缘，此处透镜作用明显减弱，从而大幅影响雷达的口径效率。而非透镜雷达则采用线阵和面阵的天线形式，会大大增加雷达体积，不利于小型化设计。当前76-81GHz频段的非透镜毫米波雷达天线则采用贴片天线、基片介质波导天线或者缝隙天线进行设计，天线罩则采用普通的PBT材质纯平面结构进行设计。上述三类天线都需要采用线阵或者面阵的形式来实现天线的高增益，同时随着发射和接收天线数量不断增加，会导致雷达体积整体过大，不利于车身隐藏式安装。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法，将传统球形进行平面化设计，易于实现雷达的隐形安装。采用双透镜设计，可以极大化减弱收发天线的边缘效应，保证收发天线在扫频过程中不会存在在透镜边缘处增益骤减的风险。采用双平面透镜去耦化的方法，对双平面透镜的外形、结构和材质进行设计和仿真，大幅优化双平面透镜在大角度工作时引入的耦合影响，提升雷达性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法，它包括如下步骤：
步骤S1、在天线罩上设置两个龙伯透镜；
步骤S2、对两个所述龙伯透镜进行平面化处理；
步骤S3、对两个所述龙伯透镜进行去耦化处理。
进一步，所述步骤S2中，对两个所述龙伯透镜进行平面化处理，具体包括如下步骤：
当所述龙伯透镜的表面与天线阵列接触时，将所述龙伯透镜从球形透镜转换为平面圆形透镜，坐标转换公式为：
；
其中，y为球形透镜坐标系的y轴坐标，z为球形透镜坐标系的z轴坐标，y’为平面圆 形透镜坐标系的y轴坐标，z’为平面圆形透镜坐标系的z轴坐标，为z轴的变换比例系数，R 为球形透镜的半径，r为半径变量；
根据电磁波变换理论，将平面圆形透镜坐标系进行对应的电磁参数变换，得到平面圆形透镜电磁参数，所述平面圆形透镜电磁参数的表达式为：
；
其中，为相对介电常数的张量形式分布，为相对磁导率的张量形式分布，A 为雅格比矩阵；
雅格比矩阵A坐标变换前后的各点位置变换关系如下：
；
；
将A和代入平面圆形透镜坐标系的电磁参数变换公式得到：
；
；
再根据波动的亥姆霍兹方程计算得到：
；
当前坐标系的旋转角度为：
；
同时结合球形透镜的电磁参量分布和参量，消去参量中的非 对角线分量，得到新的平面圆形透镜电磁参数，新的平面圆形透镜电磁参数的表达式为：
；
其中，为新的相对介电常数的张量形式分布，为新的相对磁导率的张量 形式分布。
进一步，所述步骤S2中，对两个所述龙伯透镜进行平面化处理，还包括如下步骤：
当所述龙伯透镜的表面与天线阵列不接触时，将所述龙伯透镜从球形透镜转换为平面圆形透镜，坐标转换公式为：
；
其中，y为球形透镜坐标系的y轴坐标，z为球形透镜坐标系的z轴坐标，y’为平面圆 形透镜坐标系的y轴坐标，z’为平面圆形透镜坐标系的z轴坐标，为z轴的变换比例系数；
从而得到相应的平面圆形透镜电磁参数，平面圆形透镜电磁参数的表达式为：
；
其中，为相对介电常数的张量形式分布，为相对磁导率的张量形式分布。
进一步，所述步骤S3中，对两个所述龙伯透镜进行去耦化处理，具体包括如下步骤：
将平面圆形透镜转换为平面椭圆形透镜，设平面圆形透镜的半径为R，平面椭圆形透镜的半长轴为RL，半短轴为RW，同时半长轴RL=R，半短轴，此处表示透镜的横向去耦化比值；
根据电磁波变换理论，平面圆形透镜的去耦化可以用坐标变换进行表示：
由坐标变化可以得到电磁参数为：
其中，表示平面圆形透镜的相对介电常数的张量形式分布，表示平面圆形透 镜的相对磁导率的张量形式分布；表示平面椭圆形透镜的相对介电常数的张量形式分 布，表示平面椭圆形透镜的相对磁导率的张量形式分布；此处通过雅格比矩阵A来表示 坐标变换前后的各点位置的关系：
；
结合雅格比矩阵A和电磁参数的变化，可以得到平面圆形透镜转换为平面椭圆形透镜的相对介电常数和相对磁导率的分布为：
；
；
其中，若采用所述龙伯透镜的表面与天线阵列接触的方案，那么和分别对应和，表达式为：；
若采用所述龙伯透镜的表面与天线阵列不接触的方案，那么和分别对应 和，表达式为：
。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
1、传统透镜雷达的天线罩采用常规半球形龙伯透镜实现，受限于球形结构，整体雷达的整体厚度偏厚，在车身安装中共型性太差，本发明创新性地将传统球形进行平面化设计，将透镜厚度至少减小50%以上，易于实现雷达的隐形安装。
2、传统透镜天线罩为发射天线和接收天线共用，但是毫米波频段发射和接收天线通道数不断增加，作为位于透镜天线罩边缘处的天线，透镜对其的聚波作用明显减弱，从而大幅影响雷达的口径效率。此处创新性地将采用双透镜设计，保证收发天线均位于透镜的中心位置，在有限尺寸的前提下实现天线增益的最大化。
3、创新性地采用双透镜设计，可以极大化减弱收发天线的边缘效应，保证收发天线在扫频过程中不会存在在透镜边缘处增益骤减的风险。
4、创新性地采用双平面透镜去耦化的方法，对双平面透镜的外形、结构和材质进行设计和仿真，大幅优化双平面透镜在大角度工作时引入的耦合影响，仿真实例中的天线增益由13.6dB提升至15.4dB，性能改善明显。
5、创新性地对透镜与天线的布置情况进行分析，将天线与透镜紧贴和分离的情况都进行进一步验证，实际应用中可以适配各类应用场景。
6、受限于当前法规限制，24GHz频段无法进行新品类的开始和使用，因此采用76-81GHz频段进行毫米波雷达的设计，因此贴片天线的尺寸可以设计的更小，更易实现雷达的小型化设计。
7、雷达采用76-81GHz频段作为工作频段的带宽进行探测，工作带宽更宽，雷达的测速性能与带宽成正比，因此雷达在测距性能上提升明显。
8、相比于传统的雷达方案，当前雷达采用透镜替代传统天线罩进行设计，传统天线罩材料仅是透波材料，对天线增益无法起到提升作用，采用透镜雷达后，天线增益得到大幅提升，因此天线在设计前期无需采用线阵和面阵进行设计，但辐射贴片单元即可满足设计需求。
9、采用透镜雷达替换传统天线罩后，天线尺寸包括雷达长宽的尺寸得到有效改善，因此雷达所用高频板材大大减少，有利于降低成本。
附图说明
图1为本发明的一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法的流程图；
图2为本发明的龙伯透镜电磁场轨迹图；
图3为本发明的龙伯透镜进行平面化处理的第一种情况的示意图；
图4为本发明的龙伯透镜进行平面化处理的第二种情况的示意图；
图5为本发明的双平面透镜的耦合趋势图；
图6为本发明的平面圆形透镜转换到平面椭圆形透镜的去耦化原理图；
图7为本发明的波束指向在60°时不同δ条件下双透镜间的耦合图；
图8为本发明的应用车载平面型并联双透镜天线罩的雷达的结构示意图；
图9为本发明的不同δ条件下天线的辐射方向图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例提供一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法，它包括如下步骤：
步骤S1、在天线罩上设置两个龙伯透镜，一个龙伯透镜与发射天线阵列配合，另一个龙伯透镜与接收天线阵列配合。
龙伯透镜在雷达天线的发展中是实现天线高辐射增益的有效途径，因此常用于各类高增益天线的设计中。
首先，如图2所示，分析龙伯透镜内部的电磁波轨迹，电磁波从点入射，可以得到 电磁波传播时的恒定量为：
；
将透镜的折射率分布和电磁波非变量代入梯度透镜的方程中 去，可以得到：
；
此处令u=，可以将上式简化为：
；
求解上式可以得到如下等式：
上式解不唯一，说明处积分，可以得到解：
；
同时考虑到，取，可以得到
；
由于龙伯透镜中的电磁参数是按照梯形分布的，奇异点位于电磁波轨迹与透镜 的边沿交点上，该点位于和之间的中间位置，那么和中间的夹角可由公式计算得到：
同时和之间的角度为
；
上式中是平行于轴线的入射方向与在点处形成的夹角，所以电磁波与球 面的另一个交点位于轴线上。因此，一束平行于轴线的电磁波进入龙伯透镜后将会汇聚 在透镜另一侧表面的一个点上，该点为轴线与透镜在另一侧的交点。参考电磁波的可逆性 原理，从该交点反向进入龙伯透镜的电磁波穿过透镜后将会作为平行电磁波出射,因此为 了提高雷达天线的辐射增益，此处借鉴龙伯透镜作为基础透镜进行进一步设计。
作为球形透镜的龙伯透镜的透镜增益取决于球形透镜的尺寸，尺寸越大，透镜增益越大，当需要较高的辐射增益时，球形透镜的剖面会很高，从而导致雷达整体的共型性偏差。此处将球形透镜平面化，进一步提高透镜的实际应用价值。
为了避免单一透镜天线罩的雷达在透镜边缘位置增益偏低的情况，本实施例创新性采用收发分离形式的透镜布局，即发射天线阵列和接收天线阵列采用单独透镜来提高辐射增益，两个独立的透镜结构设计也更为自由。
步骤S2、对两个龙伯透镜进行平面化处理。
对两个龙伯透镜进行平面化处理，分为两种情况：第一种情况是天线阵列紧贴球形透镜，即天线阵列与球形透镜接触；第二类情况是天线阵列距离球形透镜存在一定间隙，即天线阵列与球形透镜不接触。第一类情况天线阵列紧贴球形透镜，不引入自由空间的概念；第二种情况由于辐射天线距离球形透镜存在一定间隙，不是理想的紧贴状态，因此在分析中需要引入自由空间的概念。
第一种情况：
如图3所示，当龙伯透镜的表面与天线阵列接触时，将龙伯透镜从球形透镜转换为平面圆形透镜，坐标转换公式为：
；
其中，y为球形透镜坐标系的y轴坐标，z为球形透镜坐标系的z轴坐标，y’为平面圆 形透镜坐标系的y轴坐标，z’为平面圆形透镜坐标系的z轴坐标，为z轴的变换比例系数，R 为球形透镜的半径，r为半径变量；
根据电磁波变换理论，将平面圆形透镜坐标系进行对应的电磁参数变换，得到平面圆形透镜电磁参数，平面圆形透镜电磁参数的表达式为：
；
其中，为相对介电常数的张量形式分布，为相对磁导率的张量形式分布，A 为雅格比矩阵；
雅格比矩阵A坐标变换前后的各点位置变换关系如下：
；
；
将A和代入平面圆形透镜坐标系的电磁参数变换公式得到：
；
；
再根据波动的亥姆霍兹方程计算得到：
；
当前坐标系的旋转角度为：
；
同时结合球形透镜的电磁参量分布和参量，消去参量中的非 对角线分量，得到新的平面圆形透镜电磁参数，新的平面圆形透镜电磁参数的表达式为：
；
其中，为新的相对介电常数的张量形式分布，为新的相对磁导率的张量 形式分布。
第二种情况：
如图4所示，当龙伯透镜的表面与天线阵列不接触时，将龙伯透镜从球形透镜转换为平面圆形透镜，坐标转换公式为：
；
其中，y为球形透镜坐标系的y轴坐标，z为球形透镜坐标系的z轴坐标，y’为平面圆 形透镜坐标系的y轴坐标，z’为平面圆形透镜坐标系的z轴坐标，为z轴的变换比例系数；
从而得到相应的平面圆形透镜电磁参数，平面圆形透镜电磁参数的表达式为：
；
其中，为相对介电常数的张量形式分布，为相对磁导率的张量形式分布。
为了提高透镜天线在实际产品中的应用比例，在上述步骤中创新性地将球形透镜进行了平面化处理，提高了透镜整体的共型性，使得雷达模组更利于隐藏式车载安装；对于球形透镜到平面圆形透镜转换的两种情况，可以根据实际情况选用最优方案。
步骤S3、对两个龙伯透镜进行去耦化处理。
如图5所示，引入双透镜布局之后，当透镜扫描到比较大的角度时，即扫描角φ较大时，阵列天线的辐射单元的波束也会形成一个比较大的波束倾角，此时相邻透镜会处于该阵列天线辐射单元的信号传播路径上，导致雷达在大角度探测时的天线增益明显降低，天线方向图发生畸变，此类现象成为双透镜之间的耦合效应，天线扫描的角度越大，双透镜造成的耦合效应越严重。为了消除大辐射角度情况下引入的耦合效应，此处进行平面圆形透镜的结构优化。
如图6所示，将平面圆形透镜转换为平面椭圆形透镜，设平面圆形透镜的半径为R，平面椭圆形透镜的半长轴为RL，半短轴为RW，同时半长轴RL=R，半短轴，此处表示透镜的横向去耦化比值；
根据电磁波变换理论，平面圆形透镜的去耦化可以用坐标变换进行表示：
由坐标变化可以得到电磁参数为：
其中，表示平面圆形透镜的相对介电常数的张量形式分布，表示平面圆形透 镜的相对磁导率的张量形式分布；表示平面椭圆形透镜的相对介电常数的张量形式分 布，表示平面椭圆形透镜的相对磁导率的张量形式分布；此处通过雅格比矩阵A来表示 坐标变换前后的各点位置的关系：
；
结合雅格比矩阵A和电磁参数的变化，可以得到平面圆形透镜转换为平面椭圆形透镜的相对介电常数和相对磁导率的分布为：
；
；
其中，若采用龙伯透镜的表面与天线阵列接触的方案，那么和分别对应 和，表达式为：；
若采用龙伯透镜的表面与天线阵列不接触的方案，那么和分别对应和，表达式为：
；
如图7所示，波束指向在60°时不同δ条件下双透镜间的耦合图可以看到，随着双透镜剖面的降低，即δ值的逐步减小，相邻双透镜的耦合效应逐步减弱；对于图中天线波束指向在60°的情况下，当δ的值取0.6时，透镜二基本不会处于天线波束的辐射路径上，因此相邻的耦合效应完全可以忽略。
实施例二
如图8所示，本实施例提供一种应用实施例一的车载平面型并联双透镜天线罩的雷达，该雷达包含双平面透镜天线罩1、雷达板2和底壳3，三者通过底壳3上的4颗螺丝31进行锁付连接。双平面透镜天线罩1的上表面有两块平面并联第一平面透镜11和第二平面透镜12，第一平面透镜11为接收天线阵列21的透镜天线罩，第二平面透镜12为发射天线阵列22的透镜天线罩，第一平面透镜11和第二平面透镜12为并联形式，可以避免单透镜天线罩在透镜边缘增益断崖式下降的问题。
采用电磁仿真软件CST对图8中的方案进行仿真分析，将参数δ的值分别设为1、0.8和0.6三种情况进行分析，工作频率设为当前主流车载毫米波雷达的工作频率76.5GHz，并将梳状天线阵列作为馈元进行仿真，仿真结果如图9所示。
如图9所示，不同δ条件下天线阵列的辐射方向图可以看到，当δ的值为1时，平面双透镜模组存在耦合效应，因此天线方向图主瓣的增益最大值为13.6dB；当δ的值为0.8时，平面双透镜模组的耦合效应逐步减弱，此时天线方向图主瓣的增益最大值为14.6dB；当δ的值为0.6时，此时平面双透镜模组的耦合效应基本消除，此时天线方向图主瓣的增益最大值提升至15.4dB，相较于δ的值为1时，整体增益增加了1.8dB，由此可见当δ去合适值时，可以帮助双平面透镜天线进行去耦，减小相邻透镜引入的损耗。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤S1、在天线罩上设置两个龙伯透镜；
步骤S2、对两个所述龙伯透镜进行平面化处理；
步骤S3、对两个所述龙伯透镜进行去耦化处理；
所述步骤S2中，对两个所述龙伯透镜进行平面化处理，具体包括如下步骤：
当所述龙伯透镜的表面与天线阵列接触时，将所述龙伯透镜从球形透镜转换为平面圆形透镜，坐标转换公式为：
；
其中，y为球形透镜坐标系的y轴坐标，z为球形透镜坐标系的z轴坐标，y’为平面圆形透镜坐标系的y轴坐标，z’为平面圆形透镜坐标系的z轴坐标，为z轴的变换比例系数，R为球形透镜的半径，r为半径变量；
根据电磁波变换理论，将平面圆形透镜坐标系进行对应的电磁参数变换，得到平面圆形透镜电磁参数，所述平面圆形透镜电磁参数的表达式为：
；
其中，为相对介电常数的张量形式分布，为相对磁导率的张量形式分布，A为雅格比矩阵；
雅格比矩阵A坐标变换前后的各点位置变换关系如下：
；
；
将和代入平面圆形透镜坐标系的电磁参数变换公式得到：
；
；
再根据波动的亥姆霍兹方程计算得到：
；
当前坐标系的旋转角度为：
；
同时结合球形透镜的电磁参量分布和参量，消去参量中的非对角线分量，得到新的平面圆形透镜电磁参数，新的平面圆形透镜电磁参数的表达式为：
；
其中，为新的相对介电常数的张量形式分布，为新的相对磁导率的张量形式分布。
2.根据权利要求1所述的车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中，对两个所述龙伯透镜进行平面化处理，还包括如下步骤：
当所述龙伯透镜的表面与天线阵列不接触时，将所述龙伯透镜从球形透镜转换为平面圆形透镜，坐标转换公式为：
；
其中，y为球形透镜坐标系的y轴坐标，z为球形透镜坐标系的z轴坐标，y’为平面圆形透镜坐标系的y轴坐标，z’为平面圆形透镜坐标系的z轴坐标，为z轴的变换比例系数；
从而得到相应的平面圆形透镜电磁参数，平面圆形透镜电磁参数的表达式为：
；
其中，为相对介电常数的张量形式分布，为相对磁导率的张量形式分布。
3.根据权利要求1所述的车载平面型并联双透镜天线罩的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中，对两个所述龙伯透镜进行去耦化处理，具体包括如下步骤：
将平面圆形透镜转换为平面椭圆形透镜，设平面圆形透镜的半径为R，平面椭圆形透镜的半长轴为RL，半短轴为RW，同时半长轴RL=R，半短轴，此处表示透镜的横向去耦化比值；
根据电磁波变换理论，平面圆形透镜的去耦化可以用坐标变换进行表示：
；
由坐标变化可以得到电磁参数为：
；
其中，表示平面圆形透镜的相对介电常数的张量形式分布，表示平面圆形透镜的相对磁导率的张量形式分布；表示平面椭圆形透镜的相对介电常数的张量形式分布，表示平面椭圆形透镜的相对磁导率的张量形式分布；此处通过雅格比矩阵A来表示坐标变换前后的各点位置的关系：
；
结合雅格比矩阵A和电磁参数的变化，可以得到平面圆形透镜转换为平面椭圆形透镜的相对介电常数和相对磁导率的分布为：
；
；
其中，若采用所述龙伯透镜的表面与天线阵列接触的方案，那么和分别对应和，表达式为：
；
若采用所述龙伯透镜的表面与天线阵列不接触的方案，那么和分别对应和，表达式为：
。
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