天线单元、收发天线、传感器及设备的制作方法

1.本发明涉及天线，特别是涉及一种天线单元、收发天线、传感器及设备。


背景技术：

2.随着科技的进步，传感器被广泛应用于各个领域中，而天线作为传感器的重要部件，主要用于信号发收。
3.由于天线的辐射增益可决定传感器能够探测目标的距离范围，而天线的波束宽度则可决定传感器能够探测目标的角度范围。故而一般是通过增加天线单元的个数来提升辐射增益和探测距离，但这不仅会增加天线结构的复杂度且难以加工，还会减小天线在俯仰面的波束宽度，同时还无法进一步拓展天线在方位面的最大波束宽度。因此，如何设计出一款结构简单易于加工的宽波束的天线是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种宽波束的天线单元、收发天线、传感器及设备。
5.一种天线单元，包括馈线和分布在所述馈线两侧的多个辐射单元，各所述辐射单元均包括辐射片，所述多个辐射单元中的一部分为辐射片长度为0.8～1.3倍第一波长的长辐射单元，一部分为辐射片长度为0.4～0.6倍第一波长的短辐射单元，所述馈线两侧的每一侧都至少设有一长辐射单元和一短辐射单元，所述辐射单元与所述馈线电磁耦合连接或机械连接。
6.在其中一个实施例中，各所述长辐射单元的辐射片长度相同。
7.在其中一个实施例中，各所述长辐射单元的辐射片长度为所述第一波长。
8.在其中一个实施例中，在所述馈线的一侧或两侧，各所述辐射单元对称分布，且对称轴垂直于所述馈线。
9.在其中一个实施例中，所述对称轴为所述馈线的垂直平分线。
10.在其中一个实施例中，在所述馈线的一侧或两侧，越靠近所述馈线的辐射单元的辐射片越宽、越靠近馈线两端的辐射单元的辐射片越窄。
11.在其中一个实施例中，所述馈线为直线段或曲线段。
12.在其中一个实施例中，各所述辐射片中至少一部分为竖直结构，或至少一部分为弯曲结构。
13.在其中一个实施例中，所述天线单元为毫米波天线单元，用于发射和/或接收毫米波信号。
14.在其中一个实施例中，各所述辐射单元还包括与辐射片连接的耦合馈线。
15.在其中一个实施例中，当所述辐射片只能发射单一频率信号时，所述第一波长是所述辐射片所发射信号在所述辐射片上的波长；当所述辐射片可发射至少两个频率的信号时，所述第一波长是所述辐射片所发射中心频率信号在所述辐射片上的波长。
16.上述天线单元，通过设置辐射片长度为0.8～1.3倍第一波长的长辐射单元，利用
辐射片中相互反向的电流，可以得到一较宽且中间凹陷、两边凸起的辐射波形；再通过设置辐射片长度为0.4～0.6倍第一波长的短辐射单元，并选择合理的天线结构参数，可以使得短辐射单元在远场的辐射波形的波峰叠加在长辐射单元的辐射波形的凹陷上，从而有效拓展天线的方位面波束宽度。
17.一种天线单元，包括：馈线；以及交错分布在所述馈线两侧的多个辐射片；其中，所述多个辐射片中的一部分辐射片在发射预设频率信号时具有至少两个电流方向。
18.在其中一个实施例中，所述一部分辐射片在发射预设频率信号时具有至少两个相反的电流方向。
19.在其中一个实施例中，所述预设频率信号为调频连续波的中心频率信号。
20.在其中一个实施例中，所述多个辐射片包括第一辐射片和第二辐射片；其中，各所述第一辐射片在发射所述预设频率信号时具有单一电流方向，各所述第二辐射片在发射所述预设频率信号时具有至少两个电流方向。
21.上述天线单元设置有至少两个电流方向的辐射片，该辐射片在远场的辐射波形可以与其他辐射片的辐射波形叠加，从而有效拓展天线的方位面波束宽度。
22.一种收发天线，包括至少一个以上任一实施例所述的天线单元，用于发射和/或接收无线电信号。
23.在其中一个实施例中，包括至少两个所述天线单元；其中，各所述天线单元并联以构成用于发射和/或接收无线电信号的天线结构。
24.一种传感器，包括：以上任一实施例所述的收发天线；以及信号处理模块；其中，所述信号处理模块通过所述收发天线接收回波信号，并对所述回波信号进行信号处理以实现目标检测和/或通信。
25.一种设备，包括：设备本体；以及设置于所述设备本体上的所述传感器。
附图说明
26.为了更好地描述和说明这里公开的那些发明的实施例和/或示例，可以参考一幅或多幅附图。用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对所公开的发明、目前描述的实施例和/或示例以及目前理解的这些发明的最佳模式中的任何一者的范围的限制。
27.图1是对比例的串联馈电的微带贴片天线的结构示意图；
28.图2是本技术实施例提供的一种设备的结构示意图；图3是一实施例中天线单元的结构示意图；
29.图4a是长度为0.8λg的辐射片上的电流方向示意图，图4b是长度为1.3λg的辐射片上的电流方向示意图；
30.图5是天线辐射方向图拓展的机理；
31.图6是长辐射单元为弯曲结构的一实施例中天线单元的结构示意图；
32.图7是图3所示实施例和一对比例的归一化天线辐射方向图；
33.图8是图3所示实施例和一对比例的方位面方向图；
34.图9是另一实施例中天线单元的结构示意图。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中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例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/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。
37.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“竖直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三，甲、乙、丙等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
38.当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。
39.随着汽车和人工智能技术的进步，自动驾驶已经成为未来汽车领域的发展趋势。毫米波雷达作为自动驾驶系统中重要的传感器，受到了极大的关注。在实际的汽车应用场景中，毫米波雷达在应用中对于俯仰角的探测范围要求不高，方位角的探测范围主要决定了毫米波雷达能够探测的角度范围。
40.图1是对比例的串联馈电的微带贴片天线的结构示意图，其为垂直极化结构，其天线结构通过微带组成阵列来进行辐射。
41.图3是一实施例中天线单元的结构示意图。天线单元包括馈线130和分布在馈线130两侧的多个辐射单元，各辐射单元均包括辐射片，这些辐射单元中有的是辐射片长度为0.8～1.3倍第一波长的长辐射单元，有的是辐射片长度为0.4～0.6倍第一波长的短辐射单元。馈线130两侧的每一侧都至少设有一长辐射单元和一短辐射单元，在满足该条件的情况下，长辐射单元和短辐射单元的具体数量可以根据实际需要进行设置，例如根据天线所需增益或者方向图进行调整，本技术在此不作进一步限定。在辐射片只能发射单一频率信号的实施例中，第一波长是辐射片所发射信号在辐射片上的波长。在辐射片可发射至少两个频率的信号时，第一波长是辐射片所发射中心频率信号在辐射片上的波长。在一个实施例中，辐射片发射的是调频连续波(fmcw)。在一个实施例中，第一波长是工作频率在介质上的
波长λg。
42.在图3所示的实施例中，馈线130的左侧设有长辐射单元111和长辐射单元113，馈线130的右侧设有长辐射单元112和长辐射单元114；长辐射单元111和长辐射单元113之间设有2个短辐射单元121，长辐射单元112和长辐射单元114之间设有3个短辐射单元122。各辐射单元与馈线130机械连接，各辐射单元用于发射和/或接收射频信号。在其他实施例中，各辐射单元也可以与馈线130电磁耦合连接。天线单元可通过各辐射单元接收射频信号，也可以通过各辐射单元发射射频信号，还可以通过各辐射单元接收和发射射频信号。
43.电磁场在传输线上传输的时候，存在每经过半波长λg/2(即180
°
电长度)，电流方向会反向的现象。各长辐射单元的辐射片长度为0.8λg～1.3λg，大于半波长，因此在长辐射单元上会出现电流方向的反转，参见图4a和图4b(箭头方向为电流方向)。长辐射单元的辐射片中发射信号存在两个及以上方向的电流，因此引入了高次模。图5以天线单元中长辐射单元的辐射片长度为λg、短辐射单元的辐射片长度为λg/2为例，对本技术的天线单元的方向图进行说明。对于辐射片长度为λg的长辐射单元，根据天线辐射在远场叠加的效应，该长辐射单元的两个相位差为180
°
的天线在远场形成中间凹陷、两边凸起的方向图图形，如图5中的方向图1。而对于辐射片长度为λg/2的短辐射单元，其在远场的辐射依旧是沿着pcb(印刷电路板)法线方向最大、向两边逐渐减小的波形，如图5中的方向图2。由于本技术的天线单元在馈线两侧均设置了长辐射单元和短辐射单元，即在同一个阵列中实现了图5中方向图1和方向图2这两种形状的辐射，且这两种辐射在远场叠加，实现了天线波束宽度的拓展；两种辐射在远场叠加的情形如图5中的方向图3和方向图4所示。
44.上述天线单元，通过设置辐射片长度为0.8～1.3倍第一波长的长辐射单元，利用辐射片中相互反向的电流，可以得到一较宽且中间凹陷、两边凸起的辐射波形；再通过设置辐射片长度为0.4～0.6倍第一波长的短辐射单元，并选择合理的天线结构参数，可以使得短辐射单元在远场的辐射波形的波峰叠加在长辐射单元的辐射波形的凹陷上，从而有效拓展天线的方位面波束宽度。另一方面，天线单元中长辐射单元和短辐射单元共同作用，在水平方向上形成了0deg，180deg，0deg的天线阵列，相邻的辐射单元间距是0.5λg，合0.2λ到0.3λ左右，这样的阵列形式在天线放线图合成上呈现宽波束的形态。
45.本技术还提供另一种天线单元，包括：馈线以及交错分布在馈线两侧的多个辐射片。其中，所述多个辐射片中的一部分辐射片在发射预设频率信号时具有至少两个电流方向。
46.上述天线单元设置有至少两个电流方向的辐射片，该辐射片在远场的辐射波形可以与其他辐射片的辐射波形叠加，从而有效拓展天线的方位面波束宽度。
47.在其中一个实施例中，所述一部分辐射片在发射预设频率信号时具有至少两个相反的电流方向。
48.在其中一个实施例中，所述预设频率信号为调频连续波的中心频率信号。
49.在其中一个实施例中，所述多个辐射片包括第一辐射片和第二辐射片；其中，各所述第一辐射片在发射所述预设频率信号时具有单一电流方向，各所述第二辐射片在发射所述预设频率信号时具有至少两个电流方向。
50.图7是极坐标中图3所示实施例和一对比例在水平面的归一化天线辐射方向图，图8是垂直坐标系中图3所示实施例和一对比例在水平面的归一化天线辐射方向图，其中图8
的纵坐标为辐射(radiation pattern)，横坐标为角度(angle)。如图所示，对比例的天线的6db波束宽度仅有不到正负60deg，而本技术实施例的6db波束宽度约为正负75deg，可见本技术实施例的天线单元的方位面波束宽度相比较于传统的天线有极大的提高。从应用层面来讲，能够为雷达提供更大的探测范围。
51.可以通过控制辐射单元的个数来控制天线单元的辐射增益和俯仰面的波束宽度。在一定范围内，辐射单元的个数越多，辐射增益越高，探测的距离就越远，同时俯仰面的波束宽度就越窄。可以通过调整长辐射单元的宽度和个数，来调整图5中的方向图1所示波形的幅度和波瓣指向；还可以通过调整短辐射单元的个数和宽度，来调整图5中的方向图2所示波形的幅值。通过控制图5中的方向图1和方向图2的相对幅度，可以获得目标增益值和目标波束宽度的方向图。可以通过各辐射单元之间的馈线的长度，来调整各辐射单元之间的相位差；调整各辐射单元在极化垂直方向上的宽度，可以控制辐射单元获得馈电能量的比值。在阵列应用中，给不同辐射单元特定的能量分配比例，能够实现对俯仰波束的旁瓣的压制。
52.在天线辐射中，增益和辐射方向图的波束宽度之间呈现此消彼长的趋势，天线波束宽度的拓展，会导致天线的辐射增益的降低。在实际应用中，为了达到同样的探测距离的效果，需要通过增加天线的辐射单元来进行补偿，这样会进一步造成俯仰波束的压缩，这就需要天线的设计根据应用场景的要求进行调整。
53.在一个实施例中，天线单元通过在单层高频pcb板材上进行天线形状的刻蚀形成，在pcb板的另外一面是完整的地平面。即本技术的天线单元可以使用两层板材和现有的pcb工艺，天线结构只需要一层高频板材即可进行正常工作，不会带来额外的成本。
54.在一个实施例中，天线单元可以通过将只设置有短辐射单元的天线的部分短辐射单元的辐射片加长来实现，因此可以直接在传统的天线设计基础上进行微调。故天线的设计可以参考或沿用传统的天线设计方法(包括天线的馈电的幅值和相位的分布)，在传统的天线的基础上进行宽波束天线的设计，设计难度较低。
55.在一个实施例中，天线单元的各长辐射单元的辐射片长度相同。进一步地，各长辐射单元的辐射片长度为所述第一波长。
56.在一个实施例中，在天线单元的馈线的一侧，各辐射单元对称分布，且对称轴垂直于馈线。进一步地，对称轴为馈线的垂直平分线。在图3所示的实施例中，在馈线130两侧，各辐射单元均对称分布，且对称轴垂直于馈线130。在图3所示的实施例中，馈线130一侧的辐射单元与另一侧的辐射单元交错设置。
57.在图3所示的实施例中，馈线130为直线段。在其他实施例中，馈线130也可以为曲线段，例如整体呈c形延伸或s形延伸的曲线段。
58.在一个实施例中，在天线单元的馈线的一侧，越靠近馈线的辐射单元的辐射片越宽、越靠近馈线两端的辐射单元的辐射片越窄。在图3所示的实施例中，在馈线130的两侧，辐射片的宽度均是越靠近馈线的中点越大、越靠近馈线的两端越小。
59.在图3所示的实施例中，各辐射单元的辐射片均为竖直结构。在其他实施例中，也可以有一部分辐射单元的辐射片为竖直结构，一部分辐射单元的辐射片为弯曲结构；或者所有的辐射单元的辐射片均为弯曲结构。在图6所示的实施例中，馈线230两端的各长辐射单元220的辐射片均为弯曲结构，各短辐射单元210的辐射片均为竖直结构。该弯曲结构可
以呈c形延伸或s形延伸。
60.需要说明的是，本技术实施例中辐射片长度指的是各辐射片沿远离馈线方向的延伸长度。例如，若辐射片俯视图为图3中所示的长方形，则辐射片长度为该长方形辐射片在垂直于馈线方向的长度，若辐射片俯视图为图6中所示的曲线形，则辐射片长度为该曲线形辐射片在远离馈线方向上延伸的长度。
61.在一个实施例中，本技术的天线单元为毫米波天线单元，用于发射和/或接收毫米波信号。在一个实施例中，该毫米波信号可以为频率介于30ghz-300ghz的射频信号。在一个实施例中，天线单元可以用于车载的毫米波雷达。
62.图9是另一实施例中天线单元的结构示意图。在该实施例中，各辐射单元分布在馈线330的两侧，并与馈线330电磁耦合连接。每个辐射单元包括辐射片和与辐射片连接的耦合馈线。一部分辐射单元为辐射片长度0.8～1.3倍第一波长的长辐射单元，一部分辐射单元为辐射片长度0.4～0.6倍第一波长的短辐射单元。为便于理解，在图9中对一长辐射单元和一短辐射单元进行了标号，即该长辐射单元包括辐射片311和耦合馈线310，该短辐射单元包括辐射片322和耦合馈线320。馈线330两侧的每一侧都至少设有一长辐射单元和一短辐射单元，在满足该条件的情况下，长辐射单元和短辐射单元的具体数量可以根据实际需要进行设置，例如根据天线所需增益或者方向图进行调整，本技术在此不作进一步限定。在辐射片只能发射单一频率信号的实施例中，第一波长是辐射片所发射信号在辐射片上的波长。在辐射片可发射至少两个频率的信号时，第一波长是辐射片所发射中心频率信号在辐射片上的波长。在一个实施例中，辐射片发射的是调频连续波(fmcw)。在一个实施例中，第一波长是工作频率在介质上的波长λg。
63.在图9所示的实施例中，各辐射单元与馈线330电磁耦合连接，用于发射和/或接收射频信号。即天线单元可通过各辐射单元接收射频信号，也可以通过各辐射单元发射射频信号，还可以通过各辐射单元接收和发射射频信号。在图9所示实施例中，馈线330和各辐射单元之间无金属连接，所以对于天线的尺寸和位置的参数不敏感，对于加工的精度可以具有较大的容差性。在图9所示的实施例中，各辐射单元与馈线330之间的间距大于等于制造天线单元的工艺的关键尺寸。
64.本技术相应提供一种收发天线，包括前述任一实施例所述的天线单元，所述收发天线用于发射和/或接收无线电信号。
65.在其中一个实施例中，收发天线包括至少两个天线单元；其中，各所述天线单元并联以构成用于发射和/或接收无线电信号的天线结构。
66.本技术相应提供一种传感器，包括前述任一实施例的收发天线，还包括信号处理模块；其中，所述信号处理模块通过所述收发天线接收回波信号，并对所述回波信号进行信号处理以实现目标检测和/或通信。
67.图2为本技术实施例提供的一种设备的结构示意图。如图2所示，本技术还提供了一种设备40，可包括设备本体401以及设置在该设备本体401之上的传感器402(包括但不限于传感器402在设备本体401外部、设备本体401内部，或传感器402的一部分设置在设备本体401内部、一部分设置在设备本体401外部)。传感器402可通过发射及接收信号实现诸如目标检测及通信等功能。
68.在一个可选的实施例中，上述设备本体401则可为智能交通运输设备(如汽车、自
行车、摩托车、船舶、地铁、火车等)、安防设备(如摄像头)、智能穿戴设备(如手环、眼镜等)、智能家居设备(如电视、空调、智能灯等)、各种通信设备(如手机、平板电能等)等，以及诸如道闸、智能交通指示灯、智能指示牌、交通摄像头及各种工业化机械手(或机器人)等。传感器402则可为本发明任一实施例中所阐述的传感器，传感器402的结构和工作原理在上述实施例中已经进行了详细说明，此处不在一一赘述。
69.基于同样的发明构思，本技术还提供一种雷达系统，该雷达系统可以包括处理器以及前述任一实施例所述的天线单元。其中，处理器通过天线单元发射及接收射频信号，以输出通信数据、辅助驾驶数据、安检成像数据和/或人体生命特征参数数据。在一个实施例中，处理器可为雷达芯片或雷达裸片。具体地，当处理器为雷达裸片时，天线单元可以集成在雷达裸片之上，从而可以减小系统的整体尺寸；或者，当处理器为雷达裸片时，天线单元可以集成在雷达芯片的封装结构之中或之上，同样可以减小系统的整体尺寸。
70.以上所述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。
71.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。