CN110021816A - 宽频带双圆极化微带转波导馈源天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天线系统，包括：电桥、上层金属地、上层基板、下层基板、下层金属地、辐射贴片、模式转换器、圆波导、金属过孔；所述天线系统为多层板结构，由上到下依次为上层金属地、上层基板、下层基板、下层金属地；所述辐射贴片位于所述上层基板上侧，所述模式转换器置于所述辐射贴片的上方并且连接至其上方的所述圆波导；所述电桥构成馈电网络，所述电桥的两个端口位于所述上层基板与所述下层基板之间。采用本发明的馈源天线系统可在毫米波频段实现宽频带、双圆极化，保证收发端口具有良好的隔离度，同时实现了微带天线转圆波导的模式转换，结构简单高效，并且不改变圆极化性能，可以作为多种类型天线的馈源使用。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种宽频带双圆极化77GHz微带转波导馈源天线系统。
背景技术
现有技术中，毫米波雷达技术在汽车雷达、安检成像、场面监控雷达、物位计量等领域获得了广泛的应用。毫米波雷达技术的主要优势有：具有很高的跟踪精度及空间分辨率；具有很高的多普勒分辨率及测速精度；具有很强的目标识别能力及成像能力；具有良好的抗干扰能力。
早期的雷达技术以脉冲雷达技术为主，但是脉冲雷达技术具有明显的缺点：例如发射功率要求很大、收发需要开关切换、有探测盲区、体积庞大、容易被截获等等。而连续波(Continuous Wave，简称CW)雷达克服了这些缺点，其具有结构简单、尺寸小、功率低等优点，因而得到越来越广泛的应用。连续波雷达可以有多种调制方式，其中以调频连续波(frequency modulation Continuous Wave，简称FMCW)雷达的应用最为广泛。相对于脉冲雷达系统，调频连续波雷达由于不存在距离盲区、接收灵敏度高、抗干扰能力强、分辨率高、功率要求小、结构简单等特点而越来越受到重视。然而连续波雷达的技术发展仍存在很多挑战，首先，由于调频连续波雷达需要发射-接收(TX/RX)端同时工作，为保持发射-接收(TX/RX)端口之间互不干扰以获得良好的工作性能，对发射-接收(TX/RX)端口之间的收发端口隔离度有更高的要求，从而为后端毫米波器件的设计增添了难度；其次，调频连续波雷达的分辨率由雷达天线的带宽决定，为了保证接收端口具有较高的灵敏度和分辨率，接收天线需要尽量使用宽带天线，从而使得收发机天线的设计带来了挑战。
在毫米波雷达的实际应用中，例如物位计量系统，对天线的要求是具有高增益及较小的波束角(3°)，如此可以提高链路增益、增加量程并减小干扰。在该类应用场景中，透镜天线、喇叭天线、反射面天线等成为较优选择，因为在77GHz频段上，上述这些天线的尺寸通常都较小，可以进行实际加工与应用。目前毫米波雷达系统核心的射频芯片大都为单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，简称MMIC)，其封装形式以球状引脚栅格阵列(Ball Grid Array，简称BGA)封装为主。可见，雷达的射频系统可以划分为以MMIC、馈线、天线为核心的馈源系统和以透镜/喇叭为核心的聚焦系统。射频芯片的发射-接收(TX/RX)端口之后的馈线与天线设计至关重要，其首要挑战在于如何将77GHz频段信号从平面传输线结构转换为传统的波导结构或其他立体结构，进一步激励透镜或者喇叭，从而实现高增益辐射；其次，77GHz的电磁波波长只有3.9mm，无论是印制电路板(PrintedCircuit Board，简称PCB)工艺还是数控(Computer Numerical Control，简称CNC)工艺，其加工精度对天线的设计有很大的影响，如何设计高鲁棒性的天线来适应相应的加工精度，是另外一个关键点。在毫米波频段的调频连续波(FMCW)雷达系统中，天线设计主要面临的挑战包括：工作带宽；发射-接收端隔离度；平面传输线结构到发射/接收结构的转换；鲁棒性设计。
参见图1A-图1D所示，在现有技术中，为了实现收发隔离，天线馈电网络系统通常采用的方案有：如图1A所示的3dB电桥方案；如图1B所示的环形器方案；如图1C所示的耦合器方案；如图1D所示的双天线方案。
然而，发明人经研究发现，在环形器方案中，在77GHz频段下，铁氧体材料特性会发生巨变，因而采用PCB工艺实现比较困难。在双天线方案中，接收和发射分别使用一支天线；从理论上来说，只要两支天线离的足够远，其隔离度可以做到很好；但是作为产品设计来说，2根天线势必需要双倍的空间；特别是在77GHz的雷达设计中，为了实现更远的通信距离，天线的尺寸都较大，2根天线势必将占据较大空间，使产品结构较为臃肿。因此，现有技术中为了实现收发隔离而采用环形器或双天线形式，其中环形器会导致天线的增益损失，而双天线系统会加大天线尺寸，并且由于其指向性问题同样会带来天线的增益损失。
调频连续波(FMCW)雷达由于接收端和发射端同时工作，其天线多采用线极化天线，导致收发端口隔离度较差而影响天线性能。为解决这个问题，可采用添加环形器的方式来提高收发端口隔离度，但是环形器会带来额外的衰减从而降低天线的灵敏度；或者，收发端分别采用不同的天线，但是这种方式又会增加设备体积，并且会因为指向性问题而降低天线增益。
参见图2所示，在现有技术中，微带转波导常采用矩圆转换的方案，圆波导由于对称性存在极化简并现象，会激发起各种模式，并且会由于圆波导的不连续性更容易激发起高次模；而由于矩形波导的主模TE10模与圆波导的主模TE11模极其相似，通过图2所示的矩圆转换结构可以很好地实现模式转化并且减少高次模的产生，因此具有较好的工作性能；但是图2所示的该种方案破坏了圆对称性而无法产生圆极化波。参见图3所示，在现有技术中，也经常通过微带探针激励方式，调节短路活塞的的深度进行阻抗匹配，使耦合到圆波导中的能量达到最大；但是图3中的方案中需要添加短路活塞，给其在77GHz毫米波频段下的加工设计带来了一定难度，并且由于其直接从微带转换到圆波导，极容易产生高次模，且其工作带宽也无法达到系统的设计需求。
现有技术中，微带天线通常采用单层贴片直接激励的方式，此种方式设计、加工简单，但是工作带宽较窄，通常小于5％，并且由于带宽较窄而导致鲁棒性不高，易受加工精度制约，不能实现宽带化的设计。
发明内容
基于此，为解决现有技术中的技术问题，特提出了一种天线系统。
所述天线系统包括电桥、上层金属地、上层基板、下层基板、下层金属地、辐射贴片、模式转换器、圆波导；所述天线系统具有多层板结构，由上到下依次为上层金属地、上层基板、下层基板、下层金属地；所述辐射贴片位于所述上层基板上侧，所述模式转换器置于所述辐射贴片的上方并且连接至其上方的所述圆波导；所述电桥的两个端口位于所述上层基板与所述下层基板之间。
在一种实施例中，所述模式转换器为圆台状波导，所述模式转换器完成微带线到圆台状波导并最终到圆波导的模式过渡，在所述辐射贴片的激励下实现TM01模式到TE11模式的渐变。
在一种实施例中，其中，所述上层金属地为环状且位于所述模式转换器的内径边沿处；所述天线系统具有多个金属过孔，所述金属过孔位呈环形排列，围绕在所述上层金属地的外沿处，所述金属过孔由上到下穿通所述上层基板及所述下层基板。
在一种实施例中，所述电桥构成馈电网络，所述电桥具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口；所述第一端口、第二端口分别为接收端口或发射端口；所述第三端口及所述第四端口位于所述上层基板与所述下层基板之间，在所述辐射贴片的下方并与所述辐射贴片之间相隔所述上层基板。
在一种实施例中，所述电桥为3dB电桥；由所述第一端口或第二端口输入信号，通过所述3dB电桥在所述第三端口、所述第四端口处产生幅度相等且相位差为90度的双端激励信号，从而生成圆极化波；所述第三端口及所述第四端口通过耦合馈电方式对所述辐射贴片进行馈电。
在一种实施例中，所述天线系统应用于调频连续波雷达中；
在一种实施例中，所述天线系统的工作频率为77GHz；
在一种实施例中，可以将所述天线系统作为透镜天线或喇叭天线的馈源。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明采用耦合馈电方式，由电桥馈电网络产生幅度相等且相位相差90度的双端口信号同时激励辐射贴片从而产生圆极化波，并且利用圆极化波反射回波极化反转的特性实现收发端的极化隔离，保证收发端口的隔离度。本发明的天线系统还包括一种结构简单、性能良好、转换效率高的圆台状模式转换器，实现微带线到圆台状波导，最终到标准圆波导的模式过渡，在宽频带微带天线的激励作用下，通过添加模式转换器实现微带天线由TM01模式到TE11模式的渐变，降低波导对微带天线的耦合作用，同时减少高次模的产生，因此天线系统的带宽直接由双圆极化微带天线激励决定，降低了传统圆波导的耦合干扰。
本发明提出的宽频带、双圆极化、微带转换至圆波导的馈源天线系统，收发端信号的双旋向能够保证天线系统收发端口保持较高的隔离度，同时天线系统利用一种结构非常简单的微带转换至波导的渐变过渡转换结构，其作为透镜天线或喇叭天线的馈源可以提高天线的增益及接收机的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1A为现有技术中利用3dB电桥实现的天线馈电网络系统的示意图。
图1B为现有技术中利用环形器实现天线馈电网络系统的示意图。
图1C为现有技术中利用耦合器实现天线馈电网络系统的示意图。
图1D为现有技术中利用双天线实现天线馈电网络系统的示意图。
图2为现有技术中矩圆转换结构示意图；
图3A为现有技术中微带探针激励的微带转波导结构主视图；
图3B为现有技术中微带探针激励的微带转波导结构左视图；
图4为本发明中天线系统的立体视图；
图5为本发明中天线系统的侧视图；
图6为本发明中天线系统的俯视图；
其中包括，天线系统1、电桥2、上层金属地3、上层基板4、下层基板5、下层金属地6、辐射贴片7、模式转换器8、圆波导9、金属过孔10、第一端口21、第二端口22、第三端口23、第四端口24。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种工作在77GHz频段下的具有高隔离度、宽频带、微带转波导的馈源天线系统。
参见图4、5所示，所述天线系统1包括电桥2、上层金属地3、上层基板4、下层基板5、下层金属地6、辐射贴片7、模式转换器8、圆波导9、金属过孔10；
参见图5所示的天线系统1的侧视图，所述天线系统1为多层板结构，由上到下依次为上层金属地3、上层基板4、下层基板5、下层金属地6；所述辐射贴片7位于所述上层基板4上侧，所述模式转换器8置于所述辐射贴片7上方并且连接至其上方的所述圆波导9；其中，所述模式转换器8为圆台状波导，用于实现TM01模式到TE11模式的渐变转换；
其中，所述上层金属地3为环状且位于所述模式转换器8的内径边沿处；所述天线系统1具有多个金属过孔10，所述金属过孔位10呈环形排列，围绕在所述上层金属地3的外沿处，所述金属过孔10由上到下穿通所述上层基板4及所述下层基板5。所述金属过孔10用于减少表面波的产生，且在电桥2馈电网络的馈电微带线处没有金属过孔10从而确保不产生干涉。
参见图4-6所示，所述电桥2构成馈电网络，所述电桥2具有第一端口21、第二端口22、第三端口23、第四端口24；其中，所述第一端口21、第二端口22分别为接收端口或发射端口，即当所述第一端口21为接收端口时所述第二端口22为发射端口，或者当所述第二端口22为接收端口时所述第一端口21为发射端口；所述第三端口23及所述第四端口24位于所述上层基板4与所述下层基板5之间，在所述辐射贴片7的下方并与所述辐射贴片7之间相隔所述上层基板4；
其中，所述电桥2为3dB电桥；由所述第一端口21或第二端口22输入信号，通过所述3dB电桥在所述第三端口23、所述第四端口24产生幅度相等且相位差为90度的双端激励信号，从而生成圆极化波；所述第三端口23及所述第四端口24与所述辐射贴片7之间相隔所述上层基板4，通过耦合馈电方式对所述辐射贴片7进行馈电；
3dB电桥也称为同频合路器，其能够沿传输线路的一个确定方向对传输功率进行连续取样，将电桥输入端口的输入信号分成两个等幅且具有90度相位差的信号并输出；3dB电桥用于多信号合路可以提高输出信号的利用率；
本发明中的天线系统1采用多层板设计，通过耦合馈电方式由电桥2构成的馈电网络对辐射贴片7进行馈电，利用适当的阻抗匹配技术实现阻抗匹配，该天线系统1的工作带宽较单层馈电方式可提升50％-70％，不仅提高了系统工作带宽，还提高了系统的鲁棒性。
将所述天线系统1应用于调频连续波雷达中，所述天线系统1为双圆极化天线，雷达发射出去的圆极化波在反射回来时会改变旋向，利用圆极化天线左右旋存在的极化隔离来保证收发端口的隔离度。通过添加金属过孔10减少表面波的产生，通过仿真可见该种结构提高了天线带宽，使得天线带宽达到了16％。
本发明中的模式转换器8是一种结构简单、转换效率高的微带转波导的过渡结构，实现了微带线到圆波导9的转换。由于工作频率的限制，现有技术中的很多转换方式在77GHz频段下均不能使用，例如常用的微带转波导所采用的矩圆过渡方式，因为矩形波导TE10模与圆波导TE11模式十分接近，而矩形波导的结构又具备足够的带宽，可以避免高次模的产生。但是本发明的技术方案中，由于需要进行圆极化传输而不能采用矩形波导结构，利用圆波导直接过渡又会激励起高次模式，并且圆波导的强耦合作用会对辐射贴片的性能参数产生影响，降低工作带宽。因此，高效、简单的模式转换器至关重要，本发明的技术方案通过添加模式转换器8实现微带由TM01模式到TE11模式的渐变转换，与普通圆波导直接转化相比其带宽有明显提升，可以最大限度地减小对辐射贴片7的干扰。
微带从圆波导辐射出去的方向图会略有恶化，一方面是天线端口回波损耗较差导致的，另一方面是过渡段仍会有一定的高阶模式产生而对方向图产生不良影响，通过增加模式转换器(圆台波导)的高度或者加长圆波导长度使高次模在传输过程中衰减或者采用在模式转换器(圆台波导)的部分添加波纹结构可有效减小高次模对方向图的影响。
考虑到加工因素，本发明的技术方案采用延长圆波导9和模式转换器8来加快高次模式的衰减，由波导延长前后方向图对比结果可见延长后方向图对称性与等化性均有改善，从侧面反映出轴比性能也有所提升，由天线系统1的整体轴比仿真结果可见3dB轴比带宽达到了10％，性能良好。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明公开了一种77GHz双圆极化微带转换至圆波导的馈源天线系统，其仿真轴比3dB带宽为10％，达到了宽频带圆极化要求，具有更好的鲁棒性，相比于线极化天线具有更好的抗干扰能力。利用圆极化回波改变旋向的特点，具有先天的极化隔离度优势，保证了收发端口的隔离度。同时天线系统具有结构简单、转换效率高的模式转换器，可以实现微带到波导的转换，减少了高次模的干扰，保证了天线系统的宽频带要求，天线系统整体具备良好的辐射性能，应用广泛，可以作为透镜天线、喇叭天线等多种天线的馈源使用，有效提高天线的增益及接收机的灵敏度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种天线系统，其特征在于，
所述天线系统包括电桥、上层金属地、上层基板、下层基板、下层金属地、辐射贴片、模式转换器、圆波导；所述天线系统具有多层板结构，由上到下依次为上层金属地、上层基板、下层基板、下层金属地；所述辐射贴片位于所述上层基板上侧，所述模式转换器置于所述辐射贴片的上方并且连接至其上方的所述圆波导；所述电桥的两个端口位于所述上层基板与所述下层基板之间。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，
其中，所述模式转换器为圆台状波导，所述模式转换器完成微带线到圆台状波导并最终到圆波导的模式过渡，在所述辐射贴片的激励下实现TM01模式到TE11模式的渐变。
3.根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，
其中，所述上层金属地为环状且位于所述模式转换器的内径边沿处；所述天线系统具有多个金属过孔，所述金属过孔位呈环形排列，围绕在所述上层金属地的外沿处，所述金属过孔由上到下穿通所述上层基板及所述下层基板。
4.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，
其中，所述电桥构成馈电网络，所述电桥具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口；所述第一端口、第二端口分别为接收端口或发射端口；所述第三端口及所述第四端口位于所述上层基板与所述下层基板之间，在所述辐射贴片的下方并与所述辐射贴片之间相隔所述上层基板。
5.根据权利要求4所述的天线系统，其特征在于，
其中，所述电桥为3dB电桥；由所述第一端口或第二端口输入信号，通过所述3dB电桥在所述第三端口、所述第四端口处产生幅度相等且相位差为90度的双端激励信号，从而生成圆极化波；所述第三端口及所述第四端口通过耦合馈电方式对所述辐射贴片进行馈电。
6.根据权利要求1-5任一项所述的天线系统，其特征在于，
所述天线系统应用于调频连续波雷达中。
7.根据权利要求1-6任一项的天线系统，其特征在于，
所述天线系统的工作频率为77GHz。
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