宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列

技术领域

本发明涉及雷达天线技术领域，特别是涉及一种宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列。

背景技术

随着自动驾驶的发展，市场对于成像雷达的需求已经不满足于水平测角，无论是前向雷达还是角雷达都需要在两个维度上都实现测角，且测角精度和分辨率都要求很高。

雷达天线作为毫米波收发的器件，在二维测角的需求下，要求天线在保持高增益的同时还能实现较宽俯仰向的波束。其中，现有的车载毫米波雷达天线大多数采用的是微带贴片天线形式，其中多为梳状阵列天线，通过改变贴片单元的宽度以改变每个单元的馈电振幅，以此实现俯仰向的低副瓣，但是微带天线有带宽窄，波束宽度窄的问题，同时微带贴片天线存在介质损耗较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列，用于解决现有技术中车载雷达难以同时实现宽带、宽波束与高增益的问题。

第一方面，本申请提供了一种宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列，包括：

天线辐射层，馈电耦合层，中间板层，馈电网络层以及PCB板，其中，所述天线辐射层上设有贯穿天线辐射层的天线阵列，所述馈电耦合层包括第一脊波导、第一空槽以及短路板，所述馈电网络层包括微带转波导结构、第二脊波导以及第二空槽，所述中间板层设有与所述第一空槽以及所述第二空槽位置对应的空腔，所述PCB板上设有连接芯片引脚的微带线，其中，连接所述芯片引脚的微带线与所述微带转波导结构连接。

在本申请一个可能的实现方式中，所述天线阵列包括接收阵列，或者发射阵列，或者接收-发射组合阵列，且所述天线阵列的天线高度小于预设高度值。

在本申请一个可能的实现方式中，所述接收-发射组合阵列包括四组接收天线以及四组发射天线，且每组天线包括四个辐射缝隙，其中，所述辐射缝隙的孔径小于电磁波波长，相邻辐射缝隙之间的间距为电磁波半波长。

在本申请一个可能的实现方式中，所述馈电耦合层与所述中间板层以及所述馈电网络层为一体化制成，其中，所述第一空槽、所述第二空槽以及所述空腔形成耦合腔。

在本申请一个可能的实现方式中，所述中间板层上下两端面均固定连接有间隙波导，所述中间板层上端面固定连接有所述短路板，其中，上端面间隙波导、下端间隙波导以及所述短路板与所述中间板层一体化制成。

在本申请一个可能的实现方式中，所述上端面间隙波导、所述短路板以及所述第一脊波导与所述天线辐射层之间形成第一波导腔。

在本申请一个可能的实现方式中，所述下端面间隙波导、微带转波导结构以及第二脊波导与所述PCB板之间形成第二波导腔。

在本申请一个可能的实现方式中，所述短路板与其最接近的所述辐射缝隙之间的间距为电磁波四分之一波长。

在本申请一个可能的实现方式中，所述天线辐射层、所述中间板层以及所述PCB板上均设有螺纹孔，所述天线辐射层、所述中间板层以及所述PCB板通过螺丝固定连接。

在本申请一个可能的实现方式中，所述中间板层包括金属板层，其中，金属板层的材质为铜或者铝，或者表面镀有金属导体的塑料板层，其中金属导体的材质为铜或者银。

如上所述，本发明的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列，通过使用金属波导传输电磁波以减少介质损耗，进一步保证天线系统的增益；同时在保证天线增益的前提下，可以展宽天线工作带宽以及展宽俯仰向波束宽度，并且因波导缝隙天线的辐射效率高，口径面积大，实现相同增益需要的单元数比微带天线少，从而减少成本投入。

附图说明

图1显示为本发明的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列于一实施例中的结构示意图；

图2显示为本发明的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列于一实施例中的PCB板俯视示意图；

图3显示为本发明的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列于一实施例中的天线辐射层的俯视示意图；

图4显示为本发明的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列于一实施例中的馈电耦合层的俯视示意图；

图5显示为本发明的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列于一实施例中的馈电网络层的仰视示意图；

图6显示为本发明的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列于一实施例中的第一波导腔的结构示意图；

图7显示为本发明的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列于一实施例中的第二波导腔的结构示意图。

元件标号说明

1天线辐射层

2馈电耦合层

3中间板层

4馈电网络层

5PCB板

6第一脊波导

7第一空槽

8微带转波导结构

9第二脊波导

10 第二空槽

11 空腔

12 微带线

13 辐射缝隙

14 上端面间隙波导

15 下端面间隙波导

16 短路板

17 第一波导腔

18 第二波导腔

19 螺纹孔

D中线

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

目前雷达天线主要基于微带天线进行优化提升，主要展宽方式为修改贴片天线单元的形状、以及馈线形式，如将贴片形状由矩形变为渐变的梯形、使用一倍波长天线、将天线馈线进行扭曲弯折等，其中，微带贴片天线为谐振天线，该结构可以直接将天线集成在PCB板上，但是微带天线有带宽窄，波束宽度窄的问题，受制于微带天线自身形式的局限，难以同时实现宽带、宽波束、与高增益。同时波导天线作为结构件，其与PCB之间电磁波的转换结构至关重要，而现有的微带与波导的转换结构通常需要将PCB嵌入波导腔体内，这一设计无疑增加了加工制造的难度，使得波导天线难以运用至车载雷达之中。

其中，在设置波导时，由于每个预设的波导都存在截止频率，即只能传输频率大于截止频率的电磁波，截止频率取决于预设波导的宽边宽度，宽边宽度越窄，截止频率高，而相同的截止频率，脊波导的宽边长度小于其他波导的宽边长度，因此，为满足天线阵列的布局需求，本申请在应用时，选用脊波导作为预设波导，以缩减雷达天线的横向尺寸。

进一步地，为实现俯仰向的低副瓣，对于本领域技术人员可知，在预设波导的长宽确定的情况下，改变辐射缝隙的偏移量可以改变辐射缝隙的电导，从而改变每个辐射缝隙的馈电振幅以满足泰勒分布，其中，根据缝隙谐振理论可知，谐振时，辐射缝隙的等效阻抗或者导纳为实数，对应辐射缝隙的等效电导计算式如下：

其中，a为预设波导的宽边、b为预设波导的窄边、λ为谐振电磁波波长、λ

具体地，请参阅图1，于发明一实施例中，本发明的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列包括：

天线辐射层1，馈电耦合层2，中间板层3，馈电网络层4以及PCB板5，其中，

所述天线辐射层1上设有贯穿天线辐射层1的天线阵列，所述馈电耦合层2包括第一脊波导6、第一空槽7以及短路板16，所述馈电网络层4包括微带转波导结构8、第二脊波导9以及第二空槽10，所述中间板层3设有与所述第一空槽7以及所述第二空槽10位置对应的空腔11，所述PCB板5上设有连接芯片引脚的微带线12，其中，连接所述芯片引脚的微带线12与所述微带转波导结构8连接。

需要说明的是，于本实施例中，本申请提出的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列对应为波导缝隙天线，可以直接设置在车载设备上，采用了直接接触式实现电磁波从PCB板5传输到对应的波导(对应为第一脊波导6以及第二脊波导9)，由于微带线12和脊波导的电磁波模式较为接近，故PCB板5上传输线的形式选择微带线12，如图2所示，显示为所述PCB板5的俯视示意图，其中，在应用时，连接所述芯片引脚的微带线12与所述微带转波导结构8连接，其中，微带转波导结构8为阶梯状，由于微带线12和微带转波导结构8的电场分布相似，两种传输线之间良好过渡的唯一要求本质上是一个将电介质中的电场转化为空气中的电场的接口，通过变化微带转波导结构8中阶梯状脊的高度可以实现阻抗匹配，以完成两种传输线之间的转换，从而在保证天线增益的前提下，得到宽波束、宽带宽的天线阵列。

进一步地，于发明一实施例中，所述天线阵列包括接收阵列，或者发射阵列，或者接收-发射组合阵列，且所述天线阵列的天线高度小于预设高度值。

需要说明的是，于本实施例中，如图3所示，显示为所述天线辐射层1的俯视示意图，其中，本实施例中的天线阵列为接收-发射组合阵列，具体包括四组接收天线以及四组发射天线，且每组天线包括四个辐射缝隙13，其中，天线阵列整体高度小于“5mm”，且所述辐射缝隙13的孔径小于电磁波波长，相邻辐射缝隙13之间的间距为电磁波半波长，其中，电磁波为发生谐振的电磁波，本实施例中接收天线、发射天线以及辐射缝隙的数量仅为一个示意，在其他实施例中，数量可根据需要进行调整。

具体地，本申请传输的电磁波为TE10模式的电磁波，在其宽边通过开矩形窄缝的方式切割电流形成辐射，谐振时，辐射缝隙13的孔径略小于半波长，实际应用时，辐射缝隙13的孔径约为电磁波半波长但是小于电磁波半波长，如图3所示，且两个相邻辐射缝隙13之间的纵向间距为电磁波半波长，同时，如图1所示，天线在排布时应对称分布在中线D(天线辐射层1上端面的虚线)的两侧以保证不会出现相邻两个天线反相而无法辐射的现象。

进一步地，于发明一实施例中，所述中间板层3上下两端面均固定连接有间隙波导，其中，如图4所示，所述中间板层3上端面设有所述上端面间隙波导14，如图5所示，所述中间板层3下端面设有所述下端间隙波导15，所述中间板层3上端面固定连接有短路板16，在一些实施例中，所述上端面间隙波导14、所述下端面间隙波导15以及所述短路板16与所述中间板层3一体化制成，在加工时，所述上端面间隙波导14、所述下端面间隙波导15可以通过刻蚀、打磨或者机械工艺制成。

需要说明的是，如图4所示，显示为所述馈电耦合层2的俯视示意图，如图5所示，显示为所述馈电网络层4的仰视示意图，其中，所述馈电耦合层2与所述中间板层3以及所述馈电网络层4为一体化制成。

进一步地，其中，所述馈电耦合层2包括第一脊波导6、第一空槽7以及短路板16，由于上述实施例中说明了天线阵列为四组接收天线以及四组发射天线，故本实施例中第一脊波导6、第一空槽7以及短路板16对应数量为八组，排布位置与每组天线的位置相互对应，所述馈电耦合层2外包围有上端面间隙波导14，避免电磁波信号发生泄露，而所述馈电网络层4包括微带转波导结构8、第二脊波导9以及第二空槽10，由于上述实施例中说明了天线阵列为四组接收天线以及四组发射天线，故本实施例中微带转波导结构8、第二脊波导9以及第二空槽10的数量值也为八组，排布位置与每组第一脊波导6以及第一空槽7的位置相互对应，所述馈电网络层4外包围有下端面间隙波导15，同样为了避免电磁波信号发生泄露，进一步地，所述中间板层3设有与所述第一空槽7以及所述第二空槽10位置对应的空腔11，从而使得所述第一空槽7、所述第二空槽10以及所述空腔11形成耦合腔，用于传播电磁波，而所述短路板16与其最接近的所述辐射缝隙13之间的间距为电磁波四分之一波长。

更进一步地，所述中间板层3在应用时可以采用金属板层，或者采用表面镀有金属导体的塑料板层，相应地，金属板层的材质为铜或者铝，而金属导体的材质为铜或者银，具体地，以金属板层为例，在金属板层的上下两个端面进行刻蚀，从而得到一体化制成的所述馈电耦合层2、所述中间板层3以及所述馈电网络层4，以及上端面间隙波导14、下端间隙波导15与所述短路板16。

进一步地，于发明一实施例中，所述上端面间隙波导14、所述短路板16以及所述第一脊波导6与所述天线辐射层1之间形成第一波导腔17；所述下端面间隙波导15、微带转波导结构8以及第二脊波导9与所述PCB板5之间形成第二波导腔18。

需要说明的是，于本实施例中，电磁波信号除了在耦合腔内传播，还在第一波导腔17以及第二波导腔18内传播，其中，具体地，如图6所示，所述上端面间隙波导14、所述短路板16以及所述第一脊波导6与所述天线辐射层1的下端面之间形成第一波导腔17，其中，上端面间隙波导14的高度和短路板16的高度大于第一脊波导6的高度，从而可以与所述天线辐射层1的下端面之间形成第一波导腔17，如图7所示，所述下端面间隙波导15、微带转波导结构8以及第二脊波导9与所述PCB板5的上端面之间形成第二波导腔18，其中，下端面间隙波导15的高度大于微带转波导结构8以及第二脊波导9的高度，从而可以与所述PCB板的上端面之间形成第二波导腔18，至此，以接收天线为例，电磁波从接收天线的辐射缝隙13传入，经过第一波导腔17以及耦合腔传导至第二波导腔18，最后基于微带转波导结构8传入芯片引脚。

进一步地，于发明一实施例中，如图2-图5所示，由于所述馈电耦合层2与所述中间板层3以及所述馈电网络层4为一体化制成，故所述天线辐射层1、所述中间板层3以及所述PCB板5通过螺丝固定连接，具体地，所述天线辐射层1、所述中间板层3以及所述PCB板5上均设有螺纹孔19，螺纹孔19存在不同的尺寸规格，在实际应用时，将所述天线辐射层1、所述中间板层3以及所述PCB板5依次叠放好，相应位置和尺寸规格的螺纹孔19对应，从而通过对应尺寸规格的螺丝依次旋紧即可安装得到本申请提出的宽带宽波束高增益毫米波雷达天线阵列。

综上所述，本发明通过使用金属波导传输电磁波以减少介质损耗，进一步保证天线系统的增益；同时在保证天线增益的前提下，可以展宽天线工作带宽以及展宽俯仰向波束宽度，并且因波导缝隙天线的辐射效率高，口径面积大，实现相同增益需要的单元数比微带天线少，可以减少成本。

上述各个附图对应的流程或结构的描述各有侧重，某个流程或结构中没有详述的部分，可以参见其他流程或结构的相关描述。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。