一种微带天线及毫米波雷达的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种微带天线及毫米波雷达。


背景技术：

2.相较于传统天线，毫米波雷达天线更容易在更小的天线体积下实现更高的增益和更窄的波束宽度，从而具有更高的探测精度和更远的探测距离，因此，毫米波雷达天线被广泛应用于交通、通信等领域。
3.毫米波雷达在探测过程中，会在一定程度上受到环境的影响，从而对毫米波雷达的探测造成一定的干扰，进而降低探测准确性。因此，提高毫米波雷达的抗干扰能力是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种微带天线及毫米波雷达，能够改善相关技术中的毫米波雷达抗干扰能力弱的技术问题。
5.本发明实施例为改善上述技术问题提供了如下技术方案：
6.在第一方面，本发明实施例提供了一种微带天线，包括：介质基板；
7.多个发射天线阵列，所述多个发射天线阵列并列布设于所述介质基板上，每个所述发射天线阵列包括串联连接的多个发射阵元，其中，在天线e面上，每个所述发射天线阵列中发射阵元的电流幅值满足第一天线波束赋形条件；在天线h面上，各个所述发射天线阵列的入射电流满足第二天线波束赋形条件；
8.天线控制电路，布设于所述介质基板上，所述天线控制电路与所述发射天线阵列电连接，用于控制每个所述发射天线阵列的工作状态。
9.可选地，在每个所述发射天线阵列中，所述发射阵元的宽度从阵列中心向两端递减。
10.可选地，每个所述发射阵列中发射阵元的宽度比值等于电流幅值比值。
11.可选地，所述发射天线阵列以中心轴线对称分布，其中，每个所述发射天线阵列与所述中心轴线的距离与其入射电流呈负相关关系。
12.可选地，所述天线控制电路包括：
13.控制器；
14.功率合成器，与所述控制器电连接，用于受所述控制器的控制，产生总电流；
15.阻抗变换器，包括主路阻抗变换器及支路阻抗变换器，所述主路阻抗变换器一端与所述功率合成器，所述主路阻抗变换器另一端在并联节点处分别与部分发射天线阵列和所述支路阻抗变换器一端电连接，所述支路阻抗变换器另一端与另部分发射天线阵列电连接，所述总电流自所述并联节点分流至每个所述发射天线阵列。
16.可选地，每个所述发射天线阵列中任意两个相邻的发射阵元之间的间距为第一波长，其中，第一波长为所述介质基板的介质波长。
17.可选地，还包括多个接收天线阵列，每个所述接收天线阵列都电连接所述天线控制电路的相应接收通道，其中，每个所述接收天线阵列包括并联连接的两个接收天线组，每个所述接收天线组包括串联连接的多个接收阵元，在天线h面上，每个所述接收天线组中接收阵元的宽度满足第三天线波束赋形条件。
18.可选地，相邻两个所述接收通道之间的间距为1.5倍第二波长，其中，第二波长为电磁波在自由空间的波长。
19.可选地，还包括多个虚拟接收天线组，每个所述虚拟接收天线组设置在相邻两个接收天线阵列之间。
20.可选地，每个所述接收天线组中的接收阵元呈梳状交错排列。
21.可选地，每个所述接收天线组中的相邻两个接收阵元之间的间距为0.5倍第二波长，其中，第二波长为电磁波在自由空间的波长。
22.在第二方面，本发明实施例提供一种毫米波雷达，包括如上所述的微带天线。
23.本发明实施例的有益效果包括：提供了一种微带天线及毫米波雷达。微带天线包括：介质基板、多个发射天线阵列及天线控制电路，多个发射天线阵列并列布设于介质基板上，每个发射天线阵列包括串联连接的多个发射阵元，其中，在天线e面上，每个发射天线阵列中发射阵元的电流幅值满足第一天线波束赋形条件，在天线h面上，各个发射天线阵列的入射电流满足第二天线波束赋形条件，天线控制电路，布设于介质基板上，天线控制电路与发射天线阵列电连接，可控制每个发射天线阵列的工作状态。本实施例通过对发射天线e面方向图和h面方向图进行天线波束赋形，能够降低天线副瓣电平，抑制旁瓣杂波的干扰，从而提高抗干扰能力。
附图说明
24.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片仅作为示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
25.图1是本发明实施例提供的一种微带天线的结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的另一种微带天线的结构示意图；
27.图3是本发明实施例提供的一种发射天线仿真结果示意图；
28.图4是本发明实施例提供的一种发射天线系统仿真结果示意图；
29.图5是本发明实施例提供的一种天线接收阵因子方向图。
具体实施方式
30.为了便于理解本技术，下面结合附图和具体实施方式，对本技术进行更详细的说明。需要说明的是，当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个
相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.此外，下面所描述的本技术不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
33.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。例如，天线方向图是描述天线辐射场在空间相对分布随方向变化的图形。由于天线方向图呈花瓣状，故又称为波瓣图。立体方向图是综合描述了方向图在各个方向上的辐射情况的方向图。e面指的是包含最大辐射方向的电场矢量所在的平面。用e面去截取立体方向图，可得到e面方向图。h面指的是包含最大辐射方向的磁场矢量所在的平面。用h面去截取立体方向图，可得到h面方向图。在波瓣图中，最大辐射方向两侧第一个零辐射方向线以内的波束称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。波瓣宽度指的是波瓣图中低于主瓣峰值3db处所形成的夹角宽度，又称为波束宽度、主瓣宽度、半功率角等，形成的角度称为波瓣角。副瓣电平指的是副瓣最大值与主瓣最大值之比。
34.请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种微带天线的结构示意图。如图1所示，微带天线包括介质基板10、多个发射天线阵列20及天线控制电路30。
35.通常，在一个薄介质基板上，一面附上金属包层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线称为微带天线。
36.基于不同应用和设计需要，介质基板的参数(包括介电常数、介质基板厚度、正切损耗角等)可不同，采用的介质基板板材可不同。在一些实施例中，介质基板10为rogers ro3003板材。在本实施例中，rogers ro3003板材应用于77ghz
‑
81ghz频段毫米波雷达天线设计。
37.在一些实施例中，介质基板10在78ghz频段下使用。在一些实施例中，介质基板10在78ghz频段下的介电常数为3.16，介质基板厚度为0.127mm，表面覆铜厚度为20um。
38.多个发射天线阵列20并列布设于介质基板10上，每个发射天线阵列20包括串联连接的多个发射阵元21。多个发射天线阵列20将许多辐射单元(发射阵元21)按一定的方向或规律排列以构成辐射系统。
39.在天线e面上，每个发射天线阵列20中各个发射阵元21的电流幅值满足第一天线波束赋形条件。通过对发射天线e面方向图进行第一天线波束赋形，可降低发射天线副瓣电平，抑制旁瓣杂波的干扰。
40.本领域技术人员能够理解，副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向，天线副瓣电平越低，表明天线在不需要的方向上辐射或接收的能量越弱，或者说在这些方向上对杂散的来波抑制能力越强，抗干扰能力就越强。
41.在天线h面上，各个发射天线阵列20的入射电流满足第二天线波束赋形条件。通过对发射天线h面方向图进行第二天线波束赋形，可降低发射天线副瓣电平，抑制旁瓣杂波的干扰。其中，每个发射天线阵列20的入射电流指的是对应发射天线阵列20的等效总电流。
42.天线控制电路30布设于介质基板10上，天线控制电路30与发射天线阵列20电连接，可控制每个发射天线阵列20的工作状态。通过控制每个发射天线阵列20的工作状态，可方便实现各个发射天线阵列20的入射电流满足第二天线波束赋形条件。
43.本发明实施例分别对发射天线的e面方向图进行第一天线波束赋形、对发射天线h面方向图进行第二天线波束赋形，有效降低天线副瓣电平，抑制旁瓣杂波的干扰，从而提高抗干扰能力。
44.在一些实施例中，在每个发射天线阵列20中，发射阵元21的宽度从阵列中心向两端递减。
45.在每个发射天线阵列20上，各个发射阵元21呈直线排列且等间距设置，发射阵元21关于发射天线阵列20的阵列中心对称，越靠近阵列中心的发射阵元21的宽度越大，越远离阵列中心的发射阵元21的宽度越小。例如，如图1所示，每个发射天线阵列20中发射阵元21的数量为5，第r3个发射阵元21最靠近阵列中心，宽度最大，第r2个、第r4个发射阵元21次之，宽度中等，第r1个、第r5个发射阵元21最远离阵列中心，宽度最小。
46.可以理解的是，发射天线阵列20的数量、每个发射天线阵列20中发射阵元21的数量均可以根据实际需求而定，并且，发射天线阵列20的数量或每个发射天线阵列20中发射阵元21的数量可以是奇数，也可以是偶数。
47.在一些实施例中，每个发射天线阵列20中发射阵元21的宽度比值等于电流幅值比值。
48.举例而言，每个发射天线阵列20中发射阵元21的数量为5，对发射天线e面方向图进行第一天线波束赋形，并按照设计目标(目标得到多少副瓣电平)，确定每个发射天线阵列20中5个发射阵元21的电流幅值比值，例如，i
r1
:i
r2
:i
r3
:
ir4
:i
r5
＝0.51:0.9:1:0.9:0.51，由于每个发射天线阵列20中发射阵元21采用串联馈电，因此，每个发射天线阵列20中5个发射阵元21的宽度比值近似等于对应5个发射阵元21的电流幅值比值，亦即，w
r1
:w
r2
:w
r3
:w
r4
:w
r5
＝0.51:0.9:1:0.9:0.51,因此，通过确定每个发射天线阵列20中发射阵元21的电流幅值比值，可确定对应发射阵列20中发射阵元21的宽度比值。
49.在一些实施例中，第一天线波束赋形条件包括泰勒分布、切比雪夫分布等。在本实施例中，为实现低副瓣电平的要求，对发射天线的e面方向图进行泰勒综合或切比雪夫加窗函数综合，采用泰勒分布或切比雪夫分布作为每个发射天线阵列20中发射阵元21的电流幅值比值，由于电流幅值比值可近似等于宽度比值，于是，根据电流幅值比值，可确定每个发射天线阵列20中发射阵元21的宽度比值。为方便设计，一般先确定最靠近阵列中心的发射阵元21的宽度，再根据宽度比值，确定其余发射阵元21的宽度。
50.为了确保每个发射天线阵列20中各个发射阵元21等相位分布，使得信号进入每个发射阵元21时的相位一致，在一些实施例中，每个发射天线阵列20中任意两个相邻的发射阵元21之间的间距d1为第一波长，其中，第一波长为介质基板10的介质波长。值得说明的是，间距d1是相邻两个发射阵元21中心点之间的距离。
51.在一些实施例中，发射天线阵列20以中心轴线对称分布。举例而言，如图1所示，发射天线阵列20的数量为4，分别为第c1个发射天线阵列20、第c2个发射天线阵列20、第c3个发射天线阵列20及第c4个发射天线阵列20，图1所示的线10a即为中心轴线，从图1中可以看出，此4个发射天线阵列20是以中心轴线10a对称分布的。
52.其中，每个发射天线阵列20与中心轴线10a的距离与其入射电流呈负相关关系。例如，如图1所示，第c2个发射天线阵列20和第c3个发射天线阵列20距离中心轴线10a较近，此2个发射天线阵列20的入射电流较大，第c1个发射天线阵列20、第c4个发射天线阵列20距离
中心轴线10a较远，此2个发射天线阵列20的入射电流较小。
53.在一些实施例中，第二天线波束赋形条件包括切比雪夫分布、泰勒分布等。在本实施例中，为实现低副瓣电平的要求，对发射天线h面方向图进行泰勒综合或切比雪夫加窗函数综合，采用泰勒分布或切比雪夫分布作为发射天线阵列20的入射电流比值。举例而言，如图1所示，4个发射天线阵列20的入射电流比值i
c1
:i
c2
:i
c3
:i
c4
＝0.4:1:1:0.4。
54.在一些实施例中，请参阅图2，天线控制电路30包括控制器31、功率合成器32及阻抗变换器，其中，阻抗变换器包括主路阻抗变换器33及支路阻抗变换器34。
55.功率合成器32与控制器31电连接，功率合成器32可受控制器31的控制，产生总电流i
总
，主路阻抗变换器33一端与功率合成器32电连接，主路阻抗变换器33另一端在并联节点20a处分别与部分发射天线阵列20和支路阻抗变换器34一端电连接，支路阻抗变换器34另一端与另部分发射天线阵列20电连接，总电流i
总
自并联节点20a分流至每个发射天线阵列20。
56.功率合成器32可接收控制器31输出的功率信号，功率信号经过功率合成器32后，得到总电流i
总
，总电流i
总
大致为所有发射天线阵列20的入射电流之和。主路阻抗变换器33可调节天线端口的阻抗，支路阻抗变换器34可调节部分发射天线阵列20的等效阻抗，以调节发射天线阵列20的入射电流比例，从而使得发射天线阵列20的入射电流满足第二天线波束赋形条件。
57.举例而言，如图2所示，支路阻抗变换器34包括第一阻抗变换单元341及第二阻抗变换单元342。第一阻抗变换单元341一端与第c1个发射天线阵列20电连接，第一阻抗变换单元341另一端通过传输线35连接于并联节点20a，第二阻抗变换单元342一端与第c4个发射天线阵列20电连接，第二阻抗变换单元342另一端通过传输线35连接于并联节点20a，第c2个发射天线阵列20和第c3个发射天线阵列20则直接通过传输线35连接于并联节点20a。
58.未加入第一阻抗变换单元341及第二阻抗变换单元342时，假设4个发射天线阵列20的等效阻抗相等，而在加入第一阻抗变换单元341及第二阻抗变换单元342后，第c1个发射天线阵列20、第c4个发射天线阵列20的等效阻抗大于第c2个发射天线阵列20、第c3个发射天线阵列20的等效阻抗，于是，对总电流i
总
进行分配时，第c1个发射天线阵列20、第c4个发射天线阵列20分得的电流小于第c2个发射天线阵列20、第c3个发射天线阵列20分得的电流。因此，通过选取合适的第一阻抗变换单元341及第二阻抗变换单元342，可确定4个发射天线阵列20的入射电流比例。
59.可以理解的是，基于不同应用和设计需要，阻抗变换单元的数量可以根据发射天线阵列20的数量进行适应性调整，只要其能够使得发射天线阵列20的入射电流满足第二天线波束赋形条件即可。
60.通过功率合成器32根据功率信号，输出总电流i
总
，将总电流i
总
提供给多个发射天线阵列20，能够提高系统增益，提升系统的snr(信噪比)。
61.控制器31可以为任意通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、单片机、arm(acorn risc machine)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。还有，控制器31还可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。控制器31也可以被实现为计算设备的组合，例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合dsp和/或任何其它这
种配置。在一些实施例中，控制器31为雷达传感器。其中，该雷达传感器的型号为cal77s24
‑
ae。如图2所示，该雷达传感器提供2个信号输出端口和4个信号接收端口，2个信号输出端口用tx1和tx2表示，4个信号接收端口用rx1、rx2、rx3和rx4表示，其中，每个信号接收端口对应一个接收通道311。
62.在一些实施例中，功率合成器32为合路器或功分器。
63.在一些实施例中，第一阻抗变换单元341和第二阻抗变换单元342为四分之一波长阻抗变换器。
64.在一些实施例中，如图2所示，微带天线还包括多个接收天线阵列40，每个接收天线阵列40都电连接天线控制电路30的相应接收通道311。举例而言，接收天线阵列40的数量为4，天线控制电路30配置有4个接收通道，每个接收天线阵列40与1个接收通道电连接。
65.每个接收天线阵列40包括并联连接的两个接收天线组41，每个接收天线组41包括多个串联连接的多个接收阵元411，在天线h面上，每个接收天线组41中接收阵元411的宽度满足第三天线波束赋形条件。
66.在本实施例中，对接收天线h面方向图进行第三天线波束赋形，以使每个接收天线组41中接收阵元411的宽度满足第三天线波束赋形条件。举例而言，每个接收天线组41中接收阵元411的数量为8，根据第三天线波束赋形条件及设计目标，确定接收天线组41中接收阵元411的宽度比值为0.57：0.66：0.87：1：1：0.87：0.66：0.57。
67.可以理解的是，接收天线阵列40的数量、接收天线组41的数量以及每个接收天线阵41中接收阵元411的数量均可以根据实际需求进行设定，并且，接收天线阵列40的数量、接收天线组41的数量以及每个接收天线阵41中接收阵元411的数量可以是奇数，也可以是偶数。
68.在一些实施例中，第三天线波束赋形条件包括泰勒分布、切比雪夫分布等。在本实施例中，为实现低副瓣电平的要求，对接收天线h面方向图进行泰勒综合或切比雪夫加窗函数综合，通过泰勒分布或切比雪夫分布来设计接收天线组41中接收阵元411的宽度比值。
69.在一些实施例中，如图2所示，每个接收天线组41中多个接收阵元411采用0.1mm微带线412进行串联连接。
70.为了得到合适的雷达无模糊视场角(fov角度)，以得到合适的雷达可视范围，在一些实施例中，相邻两个接收通道311之间的间距的d2为1.5倍第二波长，其中，第二波长为电磁波在自由空间的波长。值得说明的是，间距d2是相邻两个接收通道311中心点之间的距离。
71.在一些实施例中，微带天线还包括多个虚拟接收天线组50，每个虚拟接收天线组50的设置在相邻两个接收天线阵列之间。
72.在本实施例中，通过在相邻两个接收天线阵列40之间设置虚拟接收天线组50，可阻断接收天线之间的表面波耦合，同时可以抑制接收天线之间的空间耦合，以提高接收天线之间的隔离度，降低干扰，保证各个接收天线阵列40正常工作。
73.为了保证各个接收天线阵列40工作一致性，在一些实施例中，虚拟接收天线组50采用与接收天线组41相同或类似的结构。
74.在一些实施例中，每个接收天线组41中的接收阵元411呈梳状交错排列。在每个接收天线组41中，任意相邻两个接收阵元411等间距且交错，形成两列梳状结构。通过将接收
阵元411的排列形式设置为梳状，一方面，能够减小天线占用面积，另一方面，能够增大天线带宽。
75.由于每个接收天线组41中的接收阵元411呈梳状交错排列，为了确保每个接收天线阵列41中的接收阵元41等相位分布，在一些实施例中，每个接收天线组41中相邻两个接收阵元411之间的间距d3为0.5倍第二波长，其中，第二波长为电磁波在自由空间的波长。值得说明的是，间距d3是相邻两个接收阵元411中心点之间的距离。
76.因此，通过对发射天线的e面方向图进行第一天线波束赋形，设计每个发射天线阵列20中各个发射阵元21的宽度，使得每个发射天线阵列20中各个发射阵元21的电流幅值满足第一天线波束赋形条件，并且通过对发射天线h面方向图进行第二天线波束赋形，设计每个发射天线阵列20的入射电流，使得各个发射天线阵列20的入射电流满足第二天线波束赋形条件，能够有效降低副瓣电平，提高抗干扰能力。
77.并且，通过功率合成器32复合输入的功率信号，以向各个发射天线阵列20提供入射电流，能够提高系统增益，提升系统的snr。
78.图3是本发明实施例提供的一种发射天线仿真结果示意图。根据图3可知，天线增益(发射天线本身的增益)为18.5db，e面(图3中用虚线表示)3db波瓣宽度为17.5
°
，副瓣电平为
‑
17.3db，h面(图3中用实线表示)3db波瓣宽度为22.5
°
，副瓣电平为
‑
22.6db。
79.图4是本发明实施例提供的一种发射天线系统仿真结果示意图。根据图4可知，天线系统增益(功率合成器32对输入的功率信号进行能量合成后，发射天线实际发出去的增益)为21.5db，e面(图4中用虚线表示)3db波瓣宽度为17.5
°
，副瓣电平为
‑
17.3db，h面(图4中用实线表示)3db波瓣宽度为22.8
°
，副瓣电平为
‑
22.7db。
80.图5是本发明实施例提供的一种天线接收阵因子方向图。根据图5可知，天线两副瓣电平之间的夹角为37
°
，说明可见的无模糊fov角度为37
°
。
81.作为本发明实施例的另一方面，本发明实施例提供一种毫米波雷达，包括如上所述的微带天线。
82.最后要说明的是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且在本发明的思路下，上述各技术特征继续相互组合，并存在如上所述的本发明不同方面的许多其它变化，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。