毫米波天线单元和数据发送单元的制作方法

1.本实用新型涉及电子技术领域，具体一种天线单元和数据发送单元。


背景技术：

2.76～77ghz频段的毫米波雷达天线技术通常采用微带阵列和波导缝隙天线等形式，在汽车雷达、安检和安防等领域应用越来越普遍。然而缝隙波导天线的辐射单元匹配是一个难题。现有技术中的匹配单元一般都在馈线端，导致天线整体体积变大，辐射效率难以提升。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种改善辐射性能的毫米波天线单元及数据发送单元。
4.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
5.一种毫米波天线单元，包括一个波导，设置在所述波导上的一个馈电端口，其特征在于： 所述波导上设置有至少一个第一阵列元件，所述第一阵列元件由第一槽和导电柱构成；所述导电柱为位于所述波导内的导体，用于抑制来自第一槽的反射。
6.所述第一阵列元件由一个第一槽和两个导电柱构成；两个导电柱对称地设置在第一槽的两端。
7.所述第一槽和导电柱之间的间距e是大约1/4波长的间距。
8.在所述波导上还设置有至少一个第二阵列元件，所述第二阵列元件由第二槽和第三槽构成，所述第二槽与第三槽平行排列或垂直排列。
9.由第一阵列元件和第二阵列元件构成的阵列元件中第n个阵列元件的耦合量为1/n；在均匀激励分布中，离馈电端口最近的阵列元件的耦合量最小，而位于离馈电端口最远一端的阵列元件的耦合量为100%。
10.所述第二阵列元件设置在耦合量小于第一阈值的位置，所述第一阵列元件设置在耦合量大于等于第一阈值的位置。
11.所述第一阈值为耦合量等于5%。
12.所述第二阵列元件设置在阵元耦合量小于第二阈值的位置，所述阵列元件阵元设置在阵元耦合量大于等于第三阈值的位置；在第二阈值与第三阈值之间的位置设置所述第一阵列元件和或第二阵列元件。
13.所述第二阈值为耦合量等于5%；所述第三阈值为耦合量等于20%。
14.本实用新型还提供一种数据发送单元，包括：
15.天线阵列，包括上述任一所述的毫米波天线单元；
16.射频模块单元，接收从所述天线阵列接收的信号，通过频率转换获得转换信号；
17.模数转换单元，接收来自射频模块单元的转换信号，并对转换信号进行模拟-数字转换以产生数字信号；
18.和数字波束形成单元，接收来自模数转换单元的数字信号，并使用该数字信号来估计目标物体的位置。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
20.本实用新型天线单元在波导上设置第一阵列元件和第二阵列元件，第一阵列元件由导电柱和第一槽构成，导电柱可以抑制来自第一槽的反射，从而提高天线的辐射特性。第二阵列元件由第二槽和第三槽构成，第二槽和第三槽中彼此的槽的反射被抑制，同样提高天线的辐射特性。
21.第二阵元形成于阵元的耦合量小于第一阈值的位置，而第一阵元形成于阵元的耦合量大于第一阈值的位置，这样，无论阵元的耦合量如何，都可以适当地抑制来自阵元的反射，并且可以改善天线特性。
附图说明
22.图1为本实用新型一个实施例天线组件的结构示意图；
23.图2为图1的俯视图；
24.图3为描述天线组件的工作原理概念图；
25.图4为阵列元件与耦合量对应示意图；
26.图5为本实用新型一个实施例天线组件的结构示意图；
27.图6为图5所示实施例的天线辐射特性图；
28.图7为本实用新型一个实施例天线组件的结构示意图；
29.图8为本实用新型数据发送单元的框图。
具体实施方式
30.本技术的天线单元100包括一个波导101，一个导电柱102和一个馈电端口103，工作于毫米波频段。
31.波导101是一个由导体形成的具有矩形或圆形截面的管子。波导101通常为中空的金属管道，其横向截面为矩形，该矩形的长度和宽度决定了电磁波在其中工作的模式、截止频率等。
32.通过在波导101的表面打孔，在波导101中形成第一槽104、第二槽105和第三槽106。第一槽104、第二槽105和第三槽106中使用的槽可以是纵向分流槽，其中槽平行于波导管的纵向轴，也就是波导的中心线。槽也可以是横向分流槽，即槽垂直于波导的波导管的纵向轴。 槽也可以相对于波导管的纵向轴倾斜。
33.导电柱102是用于抑制来自第一槽104的反射的元件，由波导101内部的导体形成。导电柱102的形状可以穿透波导101，或者它的高度可以为波导101高度的一半，而不穿透波导。这对调谐来说是有利的，本领域技术人员可以根据导电柱的数量配置每个导电柱的高度。
34.优选地，本技术的导电柱102设置为一对，对称地设置在第一槽104的两端。
35.馈电端口103是一个连接到波导101的开口，以便为波导101供电。 波导101作为缝隙阵列天线运行，通过从馈电端口103馈电，从多个槽中辐射出电磁波。
36.第一槽104和导电柱102作为一个辐射单元，定义为第一阵列元件107。而第二槽
105和第三槽106称为第二阵列元件108。
37.图3为描述天线单元100的工作原理概念图。本技术中的天线单元100有两种工作类型：一种是驻波激励型，其中每个阵列元件的反射在馈电点被调整并被激励，另一种是行波激励型，其中每个阵列元件的反射被抑制的同时被激励。
38.在具有n个阵列元件的一维槽形阵列中（其中n是5或更多的正整数），在离功率馈电点最近的第n个阵列元件201处，产生输送到第n个阵列元件的功率的1/n（下文中，分数表示为1/n）。剩余的(n-1)/n功率被发送到下一个(n-1)/n阵列元件202。 在下一个(n-1)个阵列元件202，输送到(n-1)个阵列元件202的功率的1/(n-1)从阵列元件202辐射出去，剩余的(n-2)/(n-1)功率被送到下一个(n-2)个阵列元件203。
39.功率的传递不断重复，最后，在波导后部的第二阵列元件204处，输送到第二阵列元件204的一半功率从阵列元件204中辐射出来，一半的功率被送到第一阵列元件205。在第一个阵列元件205中，所有收到的功率都从阵列元件205中辐射出来。
40.通过以这种方式控制阵列元件的辐射功率，可以确保所有阵列元件激发的功率处于同一水平。
41.从每个阵列单元辐射的电磁波的相位可以通过阵列间距来调整，阵列间距是阵列单元之间的距离。
42.这样，当所有阵元激发的功率为同一水平，所有阵元激发的电磁波相位相同时，称为均匀激发分布，可获得最高的天线增益。 除了均匀的激励分布外，考虑到天线的指向性，也可以采用泰勒分布来降低副瓣水平。
43.第一槽104是根据使用频率对应的管内波长在波导101的表面上形成的，而导电柱102相对于第一槽104定位，以抑制来自第一槽104的反射。
44.导电柱102定位在波导的纵向轴线上时，反射量最大，当它接近波导侧壁时，反射量减少。槽的反射随着槽的耦合量增加而增加。耦合量是一个表示提供给阵列元件的功率和从阵列元件辐射出来的电磁波功率之间的比率。因此，当第一槽104的耦合量大时，导电柱102应更靠近波导101的纵向轴线，而当第一槽104的耦合量小时，导电柱102应更靠近波导101的管壁放置。
45.第一槽104和导电柱102之间的间距e应该是大约1/4波长的间距，以抵消第一槽104的反射。 第二槽105和第三槽106在波导的波导管的纵向轴方向上以成对的槽距d形成。在图2中，第二槽105和第三槽106是平行排列的，但它们不一定是平行的，如垂直排列。
46.成对的槽间距d应使第二槽105和第三槽106中彼此的槽的反射被抑制，例如，大约四分之一管的波长间距。第二槽105和第三槽106的槽长是相应设置的，如果从槽中发出的电磁波的耦合度较大，则槽长较长，如果耦合度较小，则槽长较短。第二槽105的槽长和第三槽106的槽长略有不同，以抑制反射。
47.在行波激励波导缝隙阵列中，第n个阵列元件的耦合量为1/n。在均匀激励分布中，离馈电端口103最近的阵列元件的耦合量最小，而位于离馈电103最远一端的阵列元件的耦合量为100%。因此，从导电柱102到管壁的距离随着耦合量的变小而变近。换句话说，对于具有小耦合量的阵列元件来说，导电柱102和管壁靠得太近，不会造成物理干扰。
48.当第二阵列元件108的耦合量较小时，槽距d约为1/4波导波长，但随着第二阵列元件108的耦合量增加，对槽距d接近。当第二阵列元件108的耦合度很大时，反射不能被抑制，
直到它们比槽宽更近，第二和第三槽在物理上相互干扰。
49.由此可知，通过在阵元耦合量小于第一阈值的位置使用第二阵元108，以及在阵元耦合量大于第一阈值的位置使用第一阵元107，可以改善天线特性。
50.如设定第一阈值为5%。第二阵列元件108形成于耦合量小于5%的位置（耦合量范围501），而第一阵列元件107形成于耦合量大于5%的位置（耦合量范围502和耦合量范围503）。 在耦合量为5%或以上的位置（耦合量范围502和耦合量范围503），应形成第一阵列元件107。
51.此外，可以设置两步阈值（第二阈值《第三阈值），在这种情况下，当耦合度在第二阈值与第三阈值之间时，都可以设置第一阵列单元107和第二阵列单元108。
52.具体来说，例如，第二阈值设定为5%，第三阈值设定为20%。在耦合量小于5%的位置（耦合量范围501），形成第二阵列元件108，而在耦合量在5%和20%之间的位置（耦合量范围502），形成第一阵列元件107或第二阵列元件108，在耦合量为20%或以上的位置（耦合量范围503），应形成第一阵列元件107。
53.在耦合量在5%和小于20%之间的位置（耦合量范围502），形成第一阵列元件107或第二阵列元件108。通过这种方式，第一阵列元件107和第二阵列元件108可以分别适当地抑制反射，而不会出现它们之间的物理干扰。
54.在均匀激励分布中，靠近馈电点的阵列元件中的耦合量小，靠近终点的阵列元件中的耦合量大，因此，第一阵列元件107被形成为远离进给单元103的位置的阵列元件，第二阵列元件108被形成为靠近馈电点的阵列元件。根据激励分布，可能会出现这样的情况：远离馈电点103的位置的耦合量小于靠近馈电点103的位置的耦合量。在这种情况下，第一阵列元件107可以在靠近馈电点的位置形成，第二阵列元件108可以在远离馈电点的位置形成。
55.相邻阵列之间的间距c，即相邻的第一阵列元件107之间、相邻的第二阵列元件108之间、相邻的第一阵列元件107和第二阵列元件108之间的间距c，应该是管内的波长间距，以实现均匀激发。 根据其他激励分布，间距c可以相应地改变。
56.根据以上所示的实施例，第二阵元形成于阵元的耦合量小于阈值的位置，而第一阵元形成于阵元的耦合量大于阈值的位置，这样，无论阵元的耦合量如何，都可以适当地抑制来自阵元的反射，并且可以改善天线特性。
57.图5显示了本技术的另一个实施例，第三种变化的天线单元1000在第二槽105和第三槽106在管宽方向上相互偏移的状态下形成第二阵列元件1001（偏移状态）。 第二个阵列单元甚至可以以这种方式配置插槽的偏移。如此可以进一步改善天线辐射特性。
58.图6为图5所示实施例的天线辐射特性图，如此获得在77～82ghz频段内，s11均小于-10db，表明在较宽的频带内s11匹配较好，其中79～81ghz频段内，s11均小于-12.5db，增益幅度的波动小于2dbi，表明该频段内，馈电端口获得了良好的匹配。
59.在另一个实施例中，第一槽1101、第二槽1102和第三槽1103与波导管的纵向轴方向形成一个角度。导电柱102其中一个位于第一槽104的侧面，另一个位于第一槽104的一端。因此，第一槽1101和导电柱102形成第一阵列元件1104，第二槽1102和第三槽1103形成第二阵列元件1105。 在图7中，每个槽与波导管的纵向轴方向形成45度角，因此可以支持45度极化。
60.本技术的数据发送单元200，如图8所示，具有天线阵列201、射频模块单元202、模
数转换单元203和数字波束形成单元204。
61.天线阵列201包括第一天线201-1、第二天线201-2、第三天线201-3和第四天线201-4。
62.射频模块单元202接收从天线组件201接收的信号，并进行处理，包括下变频，以转换接收的信号，通过频率转换获得转换信号。
63.模数转换单元203接收来自射频模块单元202的转换信号，并对转换信号进行模拟-数字转换以产生数字信号。
64.数字波束形成单元204接收来自模数转换单元203的数字信号，并使用该数字信号来估计波束的到达方向，即目标物体的位置。
65.天线阵列201由完全相同的第一天线201-1、第二天线201-2、第三天线201-3和第四天线201-4组成。第一天线201-1、第二天线201-2、第三天线201-3和第四天线201-4中的每个天线采用如前所述的天线单元100形式。