间隙波导缝隙天线及角雷达

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种间隙波导缝隙天线及角雷达。

背景技术

随着天线技术的发展，其应用越来越广泛，其中，雷达是天线重要的一个应用领域，主流的雷达大多采用高频介质板制造的平面印刷天线，但由于介质板的介电常数随加工工艺影响会存在一定的波动，尤其是毫米波频段会导致天线俯仰波束的偏转，从而导致信噪比的下降。

为此，传统技术尝试波导天线应用于雷达领域中，波导天线相比较于印刷天线不受高频介质板影响，然而，在毫米波频段等波导天线上，由于其尺寸小、加工精度要求高，导致其目前并不适合大批量生产，并且传统通过辐射缝隙远离波导中心距离远近调整天线的低副瓣，其更加难以加工，当辐射缝隙偏离波导中心距离较远时，天线还容易在主平面外出现栅瓣的现象。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提升天线性能并且降低加工难度、适合大规模量产的间隙波导缝隙天线及角雷达。

第一方面，提供了一种间隙波导缝隙天线，包括：若干辐射缝隙、间隙波导，间隙波导与辐射缝隙耦合；

若干辐射缝隙共线排布，间隙波导中设有波导脊，波导脊与辐射缝隙间隔设置，其中，波导脊沿辐射缝隙的共线方向交错弯折，并且在共线方向上，波导脊的弯折点与相邻辐射缝隙之间的间隙、以及整体辐射缝隙的两端对应，相邻辐射缝隙对应的波导脊的弯折方向相反。

在其中一个实施例中，相对于共线方向，波导脊连续弯折的倾斜角度呈泰勒分布或切比雪夫分布。

在其中一个实施例中，间隙波导包括盖板与底板，辐射缝隙设于盖板上，波导脊设于底板上。

在其中一个实施例中，还包括馈电转接部，底板上开设有与馈电转接部对应的传输口，馈电转接部经传输口与间隙波导垂直连接，波导脊与馈电转接部耦合。

在其中一个实施例中，波导脊与馈电转接部耦合的一端设有用于阻抗匹配的金属块，波导脊经金属块与馈电转接部耦合。

在其中一个实施例中，底板上设有若干金属柱，金属柱围绕波导脊周期排布，其中，金属柱与盖板间隔设置，波导脊两端的金属柱呈多排结构。

在其中一个实施例中，相邻弯折点在共线方向上的距离等于相邻辐射缝隙中点之间的距离。

在其中一个实施例中，相邻辐射缝隙中点之间的距离为二分之一间隙波导的波导波长。

在其中一个实施例中，波导脊与辐射缝隙的距离小于四分之一天线工作波长。

第二方面，提供了一种车载角雷达，包括上述任意一实施例中的间隙波导缝隙天线。

上述间隙波导缝隙天线及角雷达，至少具有以下有益效果：

1)基于间隙波导以及共线排布的辐射缝隙实现天线辐射，其中，采用间隙波导配合辐射缝隙，无介质损耗，工作效率高，成本低，并且间隙波导中采用交错弯折的波导脊，通过该波导脊的弯折方向和倾斜角度可以控制辐射缝隙辐射的幅度和相位，与传统靠缝隙远离波导中心距离远近控制天线相比，大大降低了天线加工精度要求，适合大规模量产，也避免了传统中当缝隙偏离波导中心距离较远时天线容易在主平面外出现栅瓣的问题，同时，在共线方向上，波导脊的弯折点与相邻辐射缝隙之间的间隙、以及整体辐射缝隙的两端对应，相邻辐射缝隙对应的波导脊的弯折方向相反，这可以使得相邻的辐射缝隙产生90度相移，从而实现辐射缝隙同向激励，大大提高天线辐射增益；

2)通过控制波导脊连续弯折的倾斜角度呈泰勒分布或切比雪夫分布，这可以保证天线低副瓣的性能，从而使得天线具有良好的抗干扰能力，保证天线的工作性能稳定；

3)通过馈电转接部与间隙波导垂直连接，形成个垂直馈电结构，可以有效减小相关馈电电路对天线的影响，另外，通过在波导脊与馈电转接部耦合的一端设置用于阻抗匹配的金属块，可以有效保证信号的传输效率；

4)通过在波导脊的周侧设置周期排布的金属柱，以形成金属屏蔽腔，避免能量泄露。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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。

图1为一个实施例中间隙波导缝隙天线的整体结构示意图；

图2为一个实施例中间隙波导缝隙天线的盖板结构示意图；

图3为一个实施例中间隙波导缝隙天线的底板结构示意图；

图4为一个实施例中间隙波导缝隙天线的侧面结构示意图；

图5为一个实施例中间隙波导缝隙天线的辐射方向图；

图6为一个实施例中间隙波导缝隙天线的回波损耗特性图；

附图标记说明：

1、辐射缝隙；2、间隙波导；21、波导脊；22、底板；23、盖板；24、传输口；25、金属块；26、金属柱；27、空气层；28、屏蔽槽；3、馈电转接部。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

正如背景技术所述，现有技术中的波导天线存在着尺寸小、加工精度要求高、不适合大批量生产的主要问题，经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于，传统都靠辐射缝隙远离波导中心距离远近调整天线性能，一方面，由于该结构上的设计，使得其加工作过程中辐射缝隙与波导中心距离远近很难精准控制，从而导致了天线难以精准加工，另一方面，也由于该结构上的设计，当缝隙偏离中心距离较远时，天线容易在主平面外出现栅瓣的现象，从而直接影响天线性能。因此，波导天线难以大规模量产以应用于雷达等领域，从而选择价格昂贵、介质板损耗较大的平面印刷天线。

基于以上原因，本发明提供了一种间隙波导缝隙天线方案，其可以应用于雷达等领域，尤其是毫米波频段雷达，具有无介质板损耗、传输效率高、加工难度低、量产容易等特点，给未来汽车、飞行器等设备的天线提供一种新的解决方案。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种间隙波导缝隙天线，包括：若干辐射缝隙1、间隙波导2，间隙波导2与辐射缝隙1耦合；

若干辐射缝隙1共线排布，间隙波导2中设有波导脊21，波导脊21与辐射缝隙1间隔设置，其中，波导脊21沿辐射缝隙1的共线方向交错弯折，并且在共线方向上，波导脊21的弯折点与相邻辐射缝隙1之间的间隙、以及整体辐射缝隙1的两端对应，相邻辐射缝隙1对应的波导脊21的弯折方向相反。

该间隙波导缝隙天线为基于间隙波导的缝隙天线，其中，间隙波导是一种非接触式电磁带隙结构，缝隙天线是通过导体面上所开设的缝隙进行辐射的天线结构。

具体地，参看图2，本实施例的辐射缝隙1为导体面上所开设的缝隙，导体面一般采用金属板，在金属板上开槽以形成辐射缝隙1，其中，本实施例的辐射缝隙1之间共线排布，即沿同一方向依次排布。进一步地，辐射缝隙1可以沿金属板的中轴线方向共线排布，以有效降低生产加工难度与成本。

具体地，参看图3，本实施例的间隙波导基于波导脊21实现，其是通过在平板波导的表面上设置一金属脊，即波导脊21，并在其周围布局电磁带隙，以形成间隙波导，使得电磁波沿着波导脊21的走线方向传输。

其中，参看图1和图3，为了匹配共线排布的辐射缝隙1，本实施例的波导脊21沿辐射缝隙1的共线方向设置，并在共线方向的垂直方向上来回弯折，以形成交错弯折结构，该机构通过控制波导脊21的弯折方向和倾斜角度，可以控制与之耦合的辐射缝隙1辐射的电磁强度具有不同的幅度和相位。

与传统靠缝隙远离波导中心距离远近控制天线相比，辐射缝隙采用共线排布降低了加工难度，并且通过波导脊的弯折来控制缝隙天线的辐射，进一步降低了天线加工精度要求，使得其可以大规模量产，同时，也避免了传统中当缝隙偏离波导中心距离较远时，天线容易在主平面外出现栅瓣的问题。

进一步地，参看图1和图3，在辐射缝隙1的共线方向上，波导脊21两端的弯折点与整体辐射缝隙1的两端对应，波导脊21中间的弯折点与相邻辐射缝隙1之间的间隙对应，也就是说，在该共线方向上每个辐射缝隙1分别对应一段波导脊21，每段波导脊21之间为一个弯折点，波导脊21只在弯折点进行弯折方向的改变。并且，本实施例相邻辐射缝隙1对应的波导脊21的弯折方向相反，即弯折方向相对于共线方向的方向相反，例如，前一辐射缝隙1对应的波导脊21相对共线方向由下至上倾斜，则下一辐射缝隙1对应的波导脊21相对共线方向由上向下倾斜，如此，使得相邻辐射缝隙1的辐射产生90度相移，从而使得所有辐射缝隙1同向激励，大大提高天线辐射增益。

此外，上述间隙波导缝隙天线，与微带天线和基片集成波导相比，无介质损耗，不需要高频介质板，成本较低，相比较于传统空心波导天线，上下金属板与侧壁无需无缝焊接，加工难度更低，更适合大规模量产。

在一个实施例中，相对于共线方向，波导脊连续弯折的倾斜角度呈泰勒分布或切比雪夫分布。

具体地，波导脊连续弯折的倾斜角度为波导脊倾斜方向与共线方向的夹角，其中，波导脊的倾斜角度呈泰勒分布或切比雪夫分布，以实现天线低副瓣的性能，从而使得天线具有良好的抗干扰能力，保证天线的工作性能稳定；

在一个实施例中，参看图1和图4，间隙波导2包括盖板23与底板22，辐射缝隙1设于盖板23上，波导脊21设于底板22上。

具体地，盖板23与底板22为金属板，盖板23上开槽形成辐射缝隙1，底板22上设置波导脊21，其中，盖板23和底板22之间间隔设置，底板22上的波导脊21与盖板23之间具有一空气层27，以间隔盖板23和底板22、以及间隔辐射缝隙1与波导脊21。

具体地，参看图1和图3，底板22上设有位于波导脊21周侧的金属柱26，金属柱26围绕波导脊21周期排布形成屏蔽槽28，以避免能量泄露，同时，在间隙波导2远离馈电端的一端设置多排金属柱26，形成间隙波导2的短路面，同样在间隙波导2的馈电端周侧也设置多排金属柱26，以加强能量屏蔽效果。在一些实施例中，相邻金属柱中心点之间的距离接近于2倍的金属柱宽度，以保证屏蔽效果，同时，金属柱围成的空腔在共线方向上的垂直宽度可以参考天线的工作频段所对应的波导尺寸进行初始设定，本实施例的垂直宽度采用近似二分之一天线工作波长，以便于结构布阵。

在一个实施例中，参看图1、图3、图4，还包括馈电转接部3，底板22上开设有与馈电转接部3对应的传输口24，馈电转接部3经传输口24与间隙波导2垂直连接，波导脊21与馈电转接部3耦合。

具体地，本实施例的馈电转接部用于间隙波导与外部馈电的转接，可以采用标准的矩形波导转接间隙波导，以传输电磁波信号，矩形波导通常为由金属材料构成的、矩形截面的、内部填充空气介质的规则金属波导，同样也可以采用其他波导，其中，以矩形波导为例，底板在与间隙波导馈电端对应的位置开设有矩形槽，以作为连接矩形波导的传输口，该传输口的尺寸和底板下的矩形波导口径一致，传输口的周侧同样设有周期排布的金属柱，形成金属屏蔽腔，以避免能量泄露。进一步，矩形波导经该传输口与间隙波导垂直连接，实现了天线和相关馈电电路之间多层波导垂直连接的方式，相关馈电电路可以采用微带馈电、电磁耦合等方式馈电，具体通过垂直连接的方式将相关馈电电路布置于间隙波导和缝隙天线的背面，可以有效减小相关馈电电路对天线的影响，保证天线性能稳定。

在一些实施例中，参看图1和图3，波导脊21与馈电转接部3耦合的一端设有用于阻抗匹配的金属块25，波导脊21经金属块25与馈电转接部3耦合。

具体地，金属块设于波导脊与馈电转接部耦合的一端，即间隙波导的馈电端，其中，金属块经波导脊的一端固定并延伸至传输口中，通过调节金属块的尺寸以实现阻抗匹配，以保证馈电转接部与间隙波导之间信号的传输效率。

在一个实施例中，相邻弯折点在共线方向上的距离等于相邻辐射缝隙中点之间的距离。

具体地，相邻弯折点在共线方向上的距离与相邻辐射缝隙中心之间的距离对应，其中，相邻弯折点在共线方向上的距离、相邻辐射缝隙中点之间的距离均为二分之一间隙波导的波导波长，以互相匹配，同时，相邻辐射缝隙对应的波导脊的弯折方向相反，与二分之一波导波长的辐射缝隙相匹配，以保证辐射缝隙同向激励，从而提高天线辐射增益。在一些实施例中，辐射缝隙的本身长度略小于二分之一天线工作波长，并且距离间隙波导短路面最近的辐射缝隙中心距离短路面为奇数倍的四分之一间隙波导的波导波长。

在一个实施例中，波导脊与辐射缝隙的距离小于四分之一天线工作波长，此时，由于电磁带隙结构存在带隙特性，使得电磁波沿着波导脊方向传播，而调整金属脊相对于底板的高度可以调整天线工作带宽。

现结合一具体应用场景对本实施例进行详细说明，但不仅限于此。

参看图1至图4，以77GH毫米波频段对应的天线为例，对应的具体结构如下：

整个天线包括辐射缝隙1、间隙波导2、馈电转接部3，其中，间隙波导2主要包括下层的金属底板22、两排周期排布的金属柱26形成的屏蔽槽28、在屏蔽槽28中交错弯折的金属波导脊21、中间的空气层27、上层的金属盖板23，6个辐射缝隙1设于盖板23中心线上，馈电转接部3采用矩形波导并设于底板22下，具体而言：

在间隙波导2馈电端的位置，底板22开设一矩形槽，作为馈电转接部3转接间隙波导2的传输口24，矩形槽的尺寸跟底板22下方的矩形波导口径一致，矩形槽四周用周期排布的金属柱26，避免此处的能量泄露，为了实现宽度匹配，在波导脊21馈电端的端口处延伸一块金属块25，通过调节金属块25的尺寸实现阻抗匹配；

辐射缝隙1位于盖板23的上表面中线位置，辐射缝隙1的长度略小于二分之一工作波长，77GHz对应的缝隙长度为1.9mm，缝隙宽度为0.3mm，相邻辐射缝隙1之间的距离为二分之一的间隙波导波长，本实施例具体为2.65mm，距离间隙波导2短路面最近的辐射缝隙1中心距离短路面为四分之一个间隙波导波长的奇数倍；

间隙波导2为四层结构，最底层为金属底板22、第二层为与金属底板22相连的两排周期排布的金属柱26和位于金属柱26中间屏蔽槽28内的波导脊21，第三层为空气层27，第四层为最上层的金属盖板23。其中，相邻金属柱26中心的间隔p接近于2倍金属柱26宽度a，这里P为0.6mm，a为0.3mm；由两排金属柱26围成的屏蔽槽28宽度可参考工作频段对应的标准波导尺寸进行初始值设定，本实施屏蔽槽28为1.96mm，近似为二分之一天线工作波长，以便于布阵；波导脊21的上表面与盖板23之间高度小于四分之一波长，通过调整波导脊21的高度可以调整工作带宽；间隙波导2的短路面由两排周期排列的金属柱26构成；

间隙波导2中间的波导脊21使得电磁波沿着脊的走线方向传输，通过控制波导脊21的弯折方向和倾斜角度可以让盖板23上的辐射缝隙1耦合的电磁强度具有不同的幅度和相位，其中，波导脊21的弯折点位于相邻辐射缝隙1之间的间隙中点以及整体辐射缝隙1的两端，相邻辐射缝隙1对应波导脊21的弯折方向相反，使得顶部盖板23上相邻的辐射缝隙1之间产生90度相移，使得中心距离二分之一间隙波导波长的辐射缝隙1同向激励，每个辐射缝隙1对应的波导脊21的纵向长度等于辐射缝隙1中心之间的距离2.65mm，波导脊21的倾斜角度呈泰勒分布或者切比雪夫分布，从而实现串馈天线阵低副瓣的性能。

参看图5，经测试给出了77GHz毫米波天线的E面和H面辐射方向图，与传统介质印刷串馈天线相比，从E面辐射看，间隙波导缝隙天线的10dB波束宽度能达到±100度，并且可以看出在±45度方向上增益较大，如此有利于提高方位面大角度的探测距离，更符合汽车角雷达的实际需求。

参看图6，经测试给出了77GHz毫米波天线的回波损耗特性图(S11参数图)，相较于微带天线，在小于-10dB时带宽接近3GHz，而普通微带天线一般在2GHz左右，如此说明间隙波导缝隙天线具有更宽的驻波带宽。

上述间隙波导缝隙天线结构具有以下技术效果：

一是采用间隙波导结构，与微带天线和基片集成波导相比无介质损耗，不需要高频介质板，成本较低，相比较与传统空心波导天线上下金属板与侧壁无需无缝焊接，加工精度低，更适合大规模量产；

二是采用共线排布的辐射缝隙，通过调整间隙波导波导脊的弯折方向和倾斜角度控制缝隙辐射电场的幅度和相位，从而实现同向辐射和低副瓣，与传统的靠缝隙远离波导中心距离远近调整低副瓣的方法相比，加工精度更低，且避免了当缝隙偏离中心距离较远时，天线容易在主平面外出现栅瓣的现象；

三是通过匹配结构实现间隙波导和标准矩形波导垂直互联，实现了天线和底层的芯片通过多层波导垂直连接的方式。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种基于上述所涉及的间隙波导缝隙天线的角雷达。该角雷达所提供的解决问题的实现方案与上述间隙波导缝隙天线中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个角雷达实施例中的具体限定可以参见上文中对于间隙波导缝隙天线的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供一种车载角雷达，包括上述任意一实施例中的间隙波导缝隙天线，其中，间隙波导缝隙天线至少包括若干辐射缝隙、间隙波导，间隙波导与辐射缝隙耦合；若干辐射缝隙共线排布，间隙波导中设有波导脊，波导脊与辐射缝隙间隔设置，其中，波导脊沿辐射缝隙的共线方向交错弯折，并且在共线方向上，波导脊的弯折点与相邻辐射缝隙之间的间隙、以及整体辐射缝隙的两端对应，相邻辐射缝隙对应的波导脊的弯折方向相反。

角雷达通常是指短距离雷达，一般包括前向角雷达和后向角雷达，现广泛应用于汽车辅助驾驶技术中，可满足盲区检测(BSD)，变道辅助(LCA)和前后交通警报(F/RCTA)的要求。

在一个实施例中，相对于共线方向，波导脊连续弯折的倾斜角度呈泰勒分布或切比雪夫分布。

在一个实施例中，间隙波导包括盖板与底板，辐射缝隙设于盖板上，波导脊设于底板上。

在一个实施例中，还包括馈电转接部，底板上开设有与馈电转接部对应的传输口，馈电转接部经传输口与间隙波导垂直连接，波导脊与馈电转接部耦合。

在一个实施例中，波导脊与馈电转接部耦合的一端设有用于阻抗匹配的金属块，波导脊经金属块与馈电转接部耦合。

在一个实施例中，底板上设有若干金属柱，金属柱围绕波导脊周期排布，其中，金属柱与盖板间隔设置，波导脊两端的金属柱呈多排结构。

在一个实施例中，相邻弯折点在共线方向上的距离等于相邻辐射缝隙中点之间的距离。

在一个实施例中，相邻辐射缝隙中点之间的距离为二分之一间隙波导的波导波长。

在一个实施例中，波导脊与辐射缝隙的距离小于四分之一天线工作波长。

上述角雷达基于间隙波导以及共线排布的辐射缝隙实现天线辐射，其中，采用间隙波导配合辐射缝隙，无介质损耗，工作效率高，成本低，并且间隙波导中采用交错弯折的波导脊，通过该波导脊的弯折方向和倾斜角度可以控制辐射缝隙辐射的幅度和相位，与传统靠缝隙远离波导中心距离远近控制天线相比，大大降低了天线加工精度要求，适合大规模量产，也避免了传统中当缝隙偏离波导中心距离较远时天线容易在主平面外出现栅瓣的问题，同时，在共线方向上，波导脊的弯折点与相邻辐射缝隙之间的间隙、以及整体辐射缝隙的两端对应，相邻辐射缝隙对应的波导脊的弯折方向相反，这可以使得相邻的辐射缝隙产生90度相移，从而实现辐射缝隙同向激励，大大提高天线辐射增益。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

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。