一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列

1.本发明属于汽车电子系统收发技术领域，涉及一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列。


背景技术：

2.随着汽车电子的飞速发展，汽车辅助驾驶系统对雷达传感器的需求逐渐增加，天线作为传统雷达传感器中不可或缺的收发关键性器件，其性能优劣直接影响系统的整体性能。由于微波、毫米波天线具有低成本、易集成等优势，因此被广泛应用在汽车辅助驾驶系统中。在这些天线的设计过程中，不可避免地需要对其辐射方向图进行优化设计，使得天线辐射性能达到最佳。而对天线副瓣电平抑制是优化其辐射方向图的一个重要研究点。当前，天线阵列副瓣电平抑制大多采用指数型、泰勒型、二项式型、切比雪夫型等电流分布方式，当阵列规模增大时，其馈电网络的设计变得更加复杂、难以实现。同时，也可以采用非周期布阵的方式实现天线副瓣电平的抑制，但是这种方案会使得设计过程难度相对较大。因此，提出一种相对简单的低副瓣天线阵列设计方法具有较高的工程价值。
3.目前，低副瓣电平的微带天线阵列研究主要集中在天线阵元电流分布和天线阵元位置分布上，阵元电流分布主要有指数电流分布、泰勒电流分布、二项式电流分布和切比雪夫电流分布；阵元位置分布主要集中在稀疏阵列和稀布阵列上。采用阵元电流分布的一般思路是，首先通过阵元数和副瓣电平的预设值计算出单元上的电流分布，再设计出一款具体频段的天线单元，然后将单元进行组阵分析，最后为阵列设计相应的馈电网络。该方案虽然能够满足设计要求，但是其难点在于馈电网络的设计相对复杂，难以实现每个单元之间的功率分配并确保相位一致。因此，提出一种相对简单并且能够实现低副瓣电平的天线阵列设计方法具有十分重要的学术价值和工程意义。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，通过设计插入式馈电结构来减小天线单元的输入阻抗，设计阻抗变换线来调整天线单元的输入阻抗，设计线阵和面阵的阻抗匹配网络来对天线单元馈电。与现有的天线阵列相比，该天线阵列提供了一种新的设计思路，简化了馈电网络的设计，为应用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列设计提供了可行方案。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，包括61ω天线单元、100ω天线单元、110ω天线单元、176ω天线单元、线阵阻抗匹配网络、面阵馈电网络、介质基板、金属地板；
7.所述的61ω天线单元、100ω天线单元、110ω天线单元和176ω天线单元，均是由矩形贴片、插入式馈电结构和阻抗变换线构成，四种不同输入阻抗的单元按照100ω、61ω、110ω、 176ω、176ω、110ω、61ω、100ω的方式组成线阵，阵元间距选取为一个介质波长，
避免栅瓣产生的同时也简化了馈电网络的设计。
8.所述的线阵阻抗匹配网络是由特性阻抗为100ω的微带传输线和8个四分之一波长阻抗变换线构成，其目的在于将天线单元和主馈线进行阻抗匹配，消除馈线上能量的反射损耗。
9.所述的面阵馈电网络是由特性阻抗为100ω的微带传输线、8个由微带线构成的功率分配结构以及8个四分之一波长阻抗变换线所构成，其目的在于将8个线阵连接并进行合适的功率分配以及和主馈线进行阻抗匹配。
10.所述的介质基板选用罗杰斯4350b作为天线阵列和金属地板的载体，其厚度选定为 0.508mm，相对介电常数为3.66。
11.本发明的有益效果在于：
12.1)本发明的窄波束低副瓣天线阵列参考电路结构设计了不同的天线单元，这种方法简化了天线阵列馈电网络设计的复杂度，并且能够避免大阻抗变换比的产生。
13.2)本发明的窄波束低副瓣天线阵列单元采用插入式馈电结构和天线单元阻抗变换结构，其中插入式馈电结构能够有效降低微带贴片天线的边缘阻抗，使得天线单元的输入阻抗更易调节；单元阻抗变换结构的引入可以简化不同输入阻抗天线单元的设计。两种结构结合的方式可以较好地保证天线整体的辐射性能，并且能极大程度地降低设计复杂度。
14.3)本发明的窄波束低副瓣天线阵列采用切比雪夫电流分布，其阵元间距采用一个介质波长，使得天线的副瓣电平得到有效抑制，波束宽度被控制在15
°
以内，并且避免了栅瓣的产生，简化了线阵馈电网络的设计。
15.4)本发明的窄波束低副瓣天线阵列采用由微带线构成的阻抗匹配网络和功率分配网络，有效的给天线单元提供了同相且幅度满足切比雪夫电流比的电流分布，实现了天线阵列的窄波束低副瓣辐射性能。
16.5)本发明的窄波束低副瓣天线阵列采用微带贴片天线阵列形式，减小了天线的体积，天线阵列印制在厚度为0.508mm的ro4350b薄板上，方便与射频前端电路进行集成化设计。
17.6)本发明的窄波束低副瓣天线阵列体积较小，易于共型和集成，并且辐射性能良好，为当前汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线设计提供了一种解决方案。
18.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
19.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
20.图1为天线单元阻抗和馈线阻抗的结构示意图。
21.图2为天线单元结构示意图。
22.图3为61ω天线单元的s11与辐射方向图仿真结果。
23.图4为100ω天线单元的s11与辐射方向图仿真结果。
24.图5为110ω天线单元的s11与辐射方向图仿真结果。
25.图6为176ω天线单元的s11与辐射方向图仿真结果。
26.图7为8元直线阵列的仿真结构图。
27.图8为8元直线阵列s11和辐射方向图仿真结果。
28.图9为8
×
8的阵列天线仿真结构图。
29.图10为阵列天线s11和辐射方向图的仿真结果。
30.图11为8
×
8阵列天线的实物图。
31.图12为天线仿真的s11和增益与测试的s11和增益的结果对比图。
32.图13为天线辐射方向图的仿真和测试结果对比图。
具体实施方式
33.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，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。
34.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
35.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
36.请参阅图1～图13，本发明设计了一种用于汽车辅助驾驶系统的窄波束低副瓣天线阵列，包括：61ω天线单元、100ω天线单元、110ω天线单元、176ω天线单元、线阵阻抗匹配网络、面阵馈电网络、介质基板、金属地板。
37.图1为天线单元阻抗和馈线阻抗的结构示意图，基于8元中心馈电的切比雪夫电流分布，设置其电流比为0.35：0.57：0.84：1：1：0.84：0.57：0.35，由于其具有对称性，因此可以选取一半的阵元进行分析。图中r
1-r4为天线的输入阻抗，z
1-z4为四分之一波长阻抗变换线，主馈线采用特性阻抗为100ω微带线，根据单元电流分布可求得所需天线单元的输入阻抗分别为：r1＝100ω，r2＝61ω，r3＝110ω，r4＝176ω。
38.图2为天线单元结构示意图，单元采用矩形微带贴片，利用插入式馈电减小天线的输入阻抗，根据所需的单元阻抗，利用阻抗变换线改变天线的阻抗值，进而满足单元对阻抗的要求。
39.图3～图6分别为输入阻抗为61ω、100ω、110ω和176ω天线单元的s11与辐射方向图仿真图，仿真结果表明，天线单元在23.5-24.5ghz(1ghz)频段内s11小于-10db，在24.12ghz 处s11小于-35db，端口匹配良好，在24.12ghz处的主瓣增益为6.8dbi，辐射方向图未发生明显畸变；图7中的表1为四种不同输入阻抗单元的结构参数。
40.图7为8元直线阵列的仿真结构图，利用设计好的四种不同天线单元，用微带传输线和阻抗匹配网络将其连接，利用hfss仿真得到图8所示的仿真结果，仿真结果表明，该8元直线阵列在23.2ghz-24.8ghz(2ghz)频段内s11小于-10db，在24.12ghz处s11小于-30db，端口匹配良好。在phi＝90
°
方向上，主瓣增益为14.7dbi，主瓣宽度为12.5
°
，副瓣电平为
ꢀ‑
24.7db，实现了较好的低副瓣特性。并且辐射方向图在phi＝0
°
方向上未发生明显恶化。
41.图9为8
×
8的阵列天线仿真结构图，该阵列天线由64个单元构成，每个单元形状为矩形，并在单元馈电处采用插入式馈电。该天线阵列被印制在厚度为0.508mm的介质基板上，介质基板采用ro 4350b薄板，相对介电常数为3.66。采用同轴线在天线中心对天线进行馈电。
42.图10为阵列天线的仿真结果图，天线在24.12ghz处的s11小于-42db，表明天线匹配良好。天线的阻抗带宽为1.04ghz(23.54ghz-25.58ghz，-10db)；在phi＝0
°
方向上，天线主瓣宽度为15.5
°
，增益为21.9dbi，副瓣电平为-27.9db；在phi＝90
°
方向上，天线的主瓣宽度为12.5
°
，增益为21.8dbi，副瓣电平为-24.5db。仿真结果显示，使用上述方法能实现微带天线阵列较低的副瓣电平的设计。
43.图11为所设计天线阵列的样品实物图。
44.图12为天线s11和增益仿真与测试结果对比图。测试结果表明，天线的阻抗带宽为 940mhz(23.62ghz-24.56ghz，-10db)。测试的阻抗带宽相比于仿真的阻抗带宽略有下降(下降了100mhz)，同时，天线的谐振频率向低频移动了40mhz。天线增益的测试结果在仿真结果附近，存在较小的波动，其结果和仿真结果基本保持一致，并且相对稳定。
45.图13为天线辐射性能的仿真和测试结果对比图。测试结果表明，在phi＝0
°
方向上(左图)和phi＝90
°
方向上(右图)，天线的副瓣电平有略微的升高，但从仿真和测试结果的对比上来看，测试的整体性能和仿真性能基本一致，表明该设计方法的正确性和有效性。