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CN110429376B - 天线单元、天线阵列和天线 - Google Patents

天线单元、天线阵列和天线 Download PDF

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CN110429376B
CN110429376B CN201910704563.1A CN201910704563A CN110429376B CN 110429376 B CN110429376 B CN 110429376B CN 201910704563 A CN201910704563 A CN 201910704563A CN 110429376 B CN110429376 B CN 110429376B
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Abstract

本申请涉及一种天线单元、天线阵列和天线。该天线单元包括：金属地层、介质基板和天线格单元；所述金属地层和所述天线格单元分别设置在所述介质基板的两个相对的表面；所述天线格单元的轮廓为平行四边形的形状，且所述天线格单元采用45度极化方式设置；所述天线格单元的长边和短边为邻接的两条边；所述天线格单元的至少一个短边上设置有辐射单元。采用该天线能够在会车时减少干扰，提升雷达的探测性能。

Description

天线单元、天线阵列和天线
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种天线单元、天线阵列和天线。
背景技术
随着通信技术的发展，人们对雷达等通讯设备的通讯能力要求越来越高。而天线作为发射和接收电磁波的工具，其性能对通讯设备的通讯能力有着至关重要的作用。
以毫米波车载防撞雷达为例，通常是采用传统栅格天线阵列或矩形串馈阵列天线来实现信号的收发。然而传统的栅格天线是采用矩形贴片串联馈电的方式，这种栅格天线在复杂环境下，例如会车的时候，两车之间同时收发信号会对对方产生严重的干扰，导致雷达的探测能力下降。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低干扰的天线单元、天线阵列和天线。
第一方面，本申请实施例提供一种天线单元，包括：金属地层、介质基板和天线格单元；所述金属地层和所述天线格单元分别设置在所述介质基板的两个相对的表面；
所述天线格单元的轮廓为平行四边形的形状，且所述天线格单元采用45度极化方式设置；所述天线格单元的长边和短边为邻接的两条边；
所述天线格单元的至少一个短边上设置有辐射单元。
在其中一个实施例中，所述天线格单元相对的两个短边上分别设置有所述辐射单元。
在其中一个实施例中，所述辐射单元为圆形。
在其中一个实施例中，所述辐射单元上开设有四个缝隙，所述四个缝隙对称分布在所述天线格单元的短边的两侧，并沿所述天线格单元的短边方向延伸。
在其中一个实施例中，所述天线格单元的短边的长度与介质波长的一半之间的差值小于所述介质波长的五分之一；所述天线格单元的长边的长度与所述介质波长之间的差值小于所述介质波长的五分之一。
在其中一个实施例中，还包括同轴馈线，所述同轴馈线的轴线与所述天线格单元连接，且设置在所述天线格单元的中间区域；所述同轴馈线的屏蔽层与所述金属地层连接。
第二方面，本申请实施例提供一种天线阵列，所述天线阵列包括第一列天线单元，所述第一列天线单元包括多个天线单元，所述天线单元的结构与权利要求1-6中任意一项所述的天线单元结构相同，多个所述天线单元沿所述天线单元的长边的延伸方向依次设置。
在其中一个实施例中，所述天线阵列还包括第二列天线单元，所述第二列天线单元包括多个所述天线单元，多个所述天线单元沿所述天线单元的长边的延伸方向依次设置；
所述第二列天线单元和所述第一列天线单元在所述天线单元的长边垂直的方向依次设置，且所述第二列天线单元与所述第一列天线单元处于在同一个平面。
在其中一个实施例中，所述第一列天线单元中的辐射单元，在所述天线单元的长边的延长方向上与所述第二列天线单元中的辐射单元错开半个所述介质波长的长度设置。
在其中一个实施例中，所述第一列天线单元中的天线单元的数量少于第二列天线单元中的天线单元的数量。
在其中一个实施例中，D为所述辐射单元的直径，D大于等于0.3倍介质波长，小于等于0.54倍介质波长；L1为相邻辐射单元的间距，L1大于等于0.9倍介质波长，小于等于1.1倍介质波长；W1为所述天线格单元的长边的宽度，W1大于等于0.05倍介质波长，小于等于0.1倍介质波长；L2为所述天线单元的短边的长度，大于等于0.5倍介质波长，小于等于0.7倍介质波长，W2为所述天线单元的短边的宽度，W2大于等于0.05倍介质波长，小于等于0.1倍介质波长，L3为L1的一半。
第三方面，本申请实施例提供一种天线,所述天线包括金属地层、介质基板以及栅格辐射阵列，所述金属底层和所述栅格辐射阵列分别设置于所述介质基板相对的两个表面，所述栅格辐射阵列包括多个栅格，所述多个栅格分两列并排延伸设置，每一个所述栅格的形状为平行四边形，且所述栅格采用45度极化方式设置，每一所述栅格的短边上设置有辐射单元；所述辐射单元为圆形，且所述辐射单元上开设有四个缝隙，所述四个缝隙对称分布在所述栅格的短边的两侧，并沿所述栅格的短边方向延伸。
上述天线单元、天线阵列和天线，通过天线单元包括金属地层、介质基板和天线格单元；金属地层和天线格单元分别设置在介质基板的两个相对的表面；天线格单元的轮廓为平行四边形的形状，且天线格单元采用45度极化方式设置；天线格单元的长边和短边为邻接的两条边；天线格单元的至少一个短边上设置有辐射单元。由于上述天线格单元的轮廓为平行四边形的形状，天线格单元采用45度极化方式设置，因此当复杂环境下进行辐射的时候，例如会车的时候，两车之间同时通过天线收发信号，避免了传统的矩形贴片式串联馈电方式导致的严重干扰的问题，该天线格单元能够通过45度极化方式进行极化，避免了信号之间的干扰，极大的提高了天线的抗干扰能力，因此极大的提升了雷达的探测能力。同时，天线格单元为45度极化方式设置，能够实现水平面大范围覆盖，垂直面窄波束覆盖，因此该天线单元的方向图副瓣低，能够有效减小天线尺寸，具有高增益和体积小，便于小型化和轻量化，因此便于使用。
附图说明
图1为一个实施例提供的天线单元的结构示意图；
图2为另一个实施例提供的天线单元的结构示意图；
图3为一个实施例提供的天线阵列的结构示意图；
图4为另一个实施例提供的天线阵列的结构示意图；
图5为又一个实施例提供的天线阵列中各部分尺寸的示意图；
图5a为一个实施例提供的天线阵列的反射系数示意图；
图5b为一个实施例提供的天线阵列的垂直面方向图；
图5c为一个实施例提供的天线阵列的水平面方向图。
附图标记说明：
金属地层：100； 介质基板：200；
天线格单元：300； 辐射单元：310；
同轴馈线：400； 第一列天线单元：500；
第二列天线单元：600； 栅格辐射阵列：700；
栅格：710。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供的天线单元、天线阵列和天线，可以应用在24GHz汽车防撞雷达，下面以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
图1为一个实施例提供的天线单元，如图1所示，天线单元包括：金属地层100、介质基板200和天线格单元300；金属地层100和天线格单元300分别设置在介质基板200的两个相对的表面；天线格单元300的轮廓为平行四边形的形状，且天线格单元300采用45度极化方式设置；天线格单元300的长边和短边为邻接的两条边；天线格单元300的至少一个短边上设置有辐射单元310。
需要说明的是，天线格单元300的长边和短边为邻接的两条边。
具体的，上述天线单元包括：金属地层100、介质基板200和天线格单元300。介质基板200具有相对的第一表面和第二表面，金属地层100附着在介质基板200的第一表面，天线格单元300附着在与介质基板200第一表面相对的第二表面。其中，天线格单元300为各个边具有一定宽度，该天线格单元的轮廓为平行四边形的形状，且天线格单元300采用45度极化方式设置，可选地，可以是采用正45度极化方式设置，也可以采用负45度极化方式设置；例如该夹角可以为45。需要说明的是，正45度极化方式和负45度极化方式分别为45度角设置在平行四边形的不同的方向形成。在实际加工过程中，可能存在误差，使得实际加工得到的天线格单元的长边和短边的夹角为43度，44度，46度，47度等。当然该夹角越接近45度，其抗干扰能力越强。该天线格单元300的至少一个短边上设置有辐射单元310，可以是其中一个短边上设置一个辐射单元310，也可以是两个短边分别设置辐射单元310，本实施例对此不做限定。该辐射单元310可以为一个金属贴片，附着在介质基板上，该金属贴片的形状可以为圆形、椭圆形，还可以为其它形状，对此本实施例并不做限定。图2中两个短边分别设置一个辐射单元310，且辐射单元310的形状为圆形为例示出。可选地，当天线格单元300采用45度极化方式设置时，具有更好的抗干扰效果，极大程度地提升雷达的抗干扰能力。
本实施例中，信号在天线格单元中传输，并通过辐射单元进行辐射，由于上述天线格单元的轮廓为平行四边形的形状，且天线格单元的采用45度极化方式设置，因此当复杂环境下进行辐射的时候，例如会车的时候，两车之间同时通过天线收发信号，避免了传统的矩形贴片式串联馈电方式导致的严重干扰的问题，该天线格单元能够通过采用45度极化方式，避免了信号之间的干扰，极大的提高了天线的抗干扰能力，因此极大的提升了雷达的探测能力。同时，天线格单元的长边和短边之间的夹角为45度极化方式设置，能够实现水平面大范围覆盖，垂直面窄波束覆盖，因此该天线单元的方向图副瓣低，能够有效减小天线尺寸，具有高增益和体积小，便于小型化和轻量化，因此便于使用。
可选地，天线格单元300相对的两个短边上分别设置有辐射单元310，因此相比仅在天线格单元300的其中一个短边上设置辐射单元310其辐射能力更强，扩大了天线覆盖区域，提高了天线的辐射能力。
可选地，在上述实施例的基础上，上述辐射单元310可以为圆形，采用圆形的辐射单元对信号进行辐射，能够进一步扩大水平面方向的辐射范围，实现垂直面窄波束覆盖，进而提升了天线单元在水平面方向的辐射性能。
可选地，辐射单元310上还可以开设四个缝隙，可以参见图2所示，这四个缝隙对称分布在天线格单元300的短边的两侧，并沿天线格单元300的短边方向延伸。本实施例中，通过在辐射单元310上开设四个缝隙，从而改变了天线单元的辐射特性，从而进一步减小了天线尺寸，因此便于天线小型化和轻量化，更加方便使用。
可选地，在上述实施例的基础上，天线格单元300的短边的长度与介质波长的一半之间的差值小于介质波长的五分之一；天线格单元300的长边的长度与介质波长之间的差值小于介质波长的五分之一。可选地，天线格单元300的短边的长度可以是介质波长的一半，也可以是约等于介质波长的一半，还可以是其他长度，只要二者的差值不超过介质波长的五分之一即可。天线格单元300的长边的长度可以等于介质波长，也可以是约等于介质波长，还可以是其他长度，只要二者的差值不超过介质波长的五分之一即可。当天线格单元300的短边的长度等于介质波长的一半，且天线格单元300的长边的长度等于介质波长的时候，能够最大程度的实现阻抗匹配，进一步提升天线性能。本实施例中，由于天线格单元300的短边的长度与介质波长的一半之间的差值小于介质波长的五分之一，天线格单元300的长边的长度与介质波长的之间的差值小于介质波长的五分之一，因此能够使得天线格单元300的短边和长边的长度实现阻抗匹配，进而提升了天线性能。
可选地，还可以如图2中，天线单元还包括同轴馈线400，同轴馈线400的轴线与天线格单元300连接且设置在天线格单元的中间区域，且同轴馈线400的屏蔽层与金属地层100连接。可选地，该同轴馈线可以为50欧姆匹配的馈线。通过同轴馈线400的轴线与天线格单元300连接且设置在天线格的中间区域，能够减少信号传输的相位差，提升了天线性能。
在一个实施例中，如图3所示，还提供了一种天线阵列，该天线阵列包括第一列天线单元500，第一列天线单元500包括多个天线单元300，天线单元300的结构与上述任一实施例中的天线单元300的结构相同，这多个天线单元300沿天线单元300的长边的延伸方向依次设置。本实施例提供的天线阵列的技术原理和有益效果可以参见前述实施例中关于天线单元的描述，本实施例通过多个天线单元的叠加，在能够减少干扰的同时，进一步增强了天线阵列的辐射性能。
可选地，上述天线阵列还可以如图4所示，包括第二列天线单元600，第二列天线单元包括多个天线单元300；天线单元300的结构与上述任一实施例中的天线单元300的结构相同；这多个天线单元300沿天线单元的长边的延伸方向依次设置，其中，第二列天线单元600和第一列天线单元500在天线单元300的长边垂直的方向依次设置，且第二列天线单元600与第一列天线单元500处于在同一个平面。本实施例提供的天线阵列的技术原理和有益效果可以参见前述天线单元300的描述，本实施例通过第一列天线单元和第二列天线单元的叠加设置，在能够减少干扰的同时，进一步增强了天线阵列的辐射性能。
可选地，在上述实施例图4所示的实施例基础上，第一列天线单元500中的辐射单元310，在天线单元300的长边的延长方向上与所述第二列天线单元600中的辐射单元310错开半个所述介质波长的长度设置。本实施例中，通过将分布在两列的辐射单元310错半个介质波长的长度设置，能够进一步对相位进行调整和补偿，使得单元相位同相，因此进一步提升了天线性能。
在一个实施例中，第一列天线单元500的数量少于第二列天线单元600的数量，例如，第一列天线单元500的数量比第二列天线单元600的数量少一个，当然也可以少两个或三个以上，对此本实施例不做限定。当第一列天线单元的数量少于第二列天线单元的数量时，天线阵列分布均匀，从而能够使得天线性能进一步提升。当第一列天线单元500的数量为7，第二列天线单元600数量为8时，天线阵列的辐射性能大大提升的同时，使得体积最小，因此便于使用。
在一个实施例中，参见图5所示，D为辐射单元310的直径，L1为相邻辐射单元310的间距，W1为天线单元的长边的宽度，L2为天线单元的短边的长度，W2为天线单元的短边的宽度，L3为L1的一半。其中，D大于等于0.3倍介质波长，小于等于0.54倍介质波长；L1大于等于0.9倍介质波长，小于等于1.1倍介质波长，W1大于等于0.05倍介质波长，小于等于0.1倍介质波长；L2大于等于0.5倍介质波长，小于等于0.7倍介质波长，W2大于等于0.05倍介质波长，小于等于0.1倍介质波长。当所述天线阵列的尺寸如上所示时，该天线阵列的抗干扰能力更强。当该天线阵列用于24GHz-24.25GHz时，天线阵列的反射系数可以如图5a所示，dB(S(1,1))的值均大于-15dB，天线的阻抗匹配良好。天线阵列的垂直面方向图如图5b所示，天线阵列的水平面方向图如图5c所示。本实施例中，采用如上尺寸的天线单元所组成的天线阵列，能够使得天线阵列的阻抗更加匹配，每个辐射单元之间的相位差减小，在天线阵列的辐射性能提升的同时，能够使得体积减小，因此更加小型化，便于使用。
进一步参考图4所述的天线,从整体看，包括金属地层100、介质基板200以及栅格辐射阵列700，金属底层100和栅格辐射阵列700分别设置于介质基板200相对的两个表面，栅格辐射阵列700包括多个栅格710，多个栅格710分两列并排延伸设置，每一个栅格710的形状为平行四边形，且栅格710采用45度极化方式设置，每一栅格710的短边上设置有辐射单元310。可选地，辐射单元310可以为圆形，且辐射单元310上开设有四个缝隙，折四个缝隙对称分布在所述栅格710的短边的两侧，并沿栅格710的短边方向延伸。可选地，本实施例中的天线栅格阵列700和辐射单元310的结构可以参见上述各个实施例中的天线单元的结构。本实施例中的实现原理和技术效果可以参见上述各个实施例，此处不再赘述。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种天线单元，其特征在于，所述天线单元包括：金属地层、介质基板和天线格单元；所述金属地层和所述天线格单元分别设置在所述介质基板的两个相对的表面；
所述天线格单元的轮廓为平行四边形的形状，且所述天线格单元采用45度极化方式设置；所述天线格单元的长边和短边为邻接的两条边；
所述天线格单元的至少一个短边上设置有辐射单元，所述辐射单元为圆形，所述辐射单元上开设有四个缝隙，所述四个缝隙对称分布在所述天线格单元的短边的两侧，并沿所述天线格单元的短边方向延伸，所述辐射单元为金属贴片，所述辐射单元附着在所述介质基板上；
所述天线单元还包括同轴馈线，所述同轴馈线的轴线与所述天线格单元连接，且设置在所述天线格单元的中间区域，所述同轴馈线的屏蔽层与所述金属地层连接。
2.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述天线格单元相对的两个短边上分别设置有所述辐射单元。
3.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述天线格单元的短边的长度与介质波长的一半之间的差值小于所述介质波长的五分之一；所述天线格单元的长边的长度与所述介质波长之间的差值小于所述介质波长的五分之一。
4.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述天线格单元的短边的长度等于介质波长的一半，所述天线格单元的长边的长度等于介质波长。
5.一种天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括第一列天线单元，所述第一列天线单元包括多个天线单元，所述天线单元的结构与权利要求1-4中任意一项所述的天线单元结构相同，多个所述天线单元沿所述天线单元的长边的延伸方向依次设置。
6.根据权利要求5所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列还包括第二列天线单元，所述第二列天线单元包括多个所述天线单元，多个所述天线单元沿所述天线单元的长边的延伸方向依次设置；
所述第二列天线单元和所述第一列天线单元在所述天线单元的长边垂直的方向依次设置，且所述第二列天线单元与所述第一列天线单元处于在同一个平面。
7.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，所述第一列天线单元中的辐射单元，在所述天线单元的长边的延长方向上与所述第二列天线单元中的辐射单元错开半个所述介质波长的长度设置。
8.根据权利要求6或7所述的天线阵列，其特征在于，D为所述辐射单元的直径，D大于等于0.3倍介质波长，小于等于0.54倍介质波长；L1为相邻辐射单元的间距，L1大于等于0.9倍介质波长，小于等于1.1倍介质波长；W1为所述天线格单元的长边的宽度，W1大于等于0.05倍介质波长，小于等于0.1倍介质波长；L2为所述天线单元的短边的长度，大于等于0.5倍介质波长，小于等于0.7倍介质波长，W2为所述天线单元的短边的宽度，W2大于等于0.05倍介质波长，小于等于0.1倍介质波长，L3为L1的一半，两列天线单元中的辐射单元错开一个L3的长度设置。
9.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，所述第一列天线单元的数量少于所述第二列天线单元的数量。
10.一种天线,其特征在于，所述天线包括金属地层、介质基板以及栅格辐射阵列，所述金属底层和所述栅格辐射阵列分别设置于所述介质基板相对的两个表面，所述栅格辐射阵列包括多个栅格，所述多个栅格分两列并排延伸设置，每一个所述栅格的形状为平行四边形，且所述栅格采用45度极化方式设置，每一所述栅格的短边上设置有辐射单元；所述辐射单元为圆形，且所述辐射单元上开设有四个缝隙，所述四个缝隙对称分布在所述栅格的短边的两侧，并沿所述栅格的短边方向延伸，所述辐射单元为金属贴片，所述辐射单元附着在所述介质基板上；
所述天线还包括同轴馈线，所述同轴馈线的轴线与所述栅格辐射阵列连接，且设置在所述栅格辐射阵列的中间区域，所述同轴馈线的屏蔽层与所述金属地层连接。
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