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用于汽车前向防撞雷达的两款微带阵列单脉冲天线

阅读：154发布：2020-05-26

专利汇可以提供用于汽车前向防撞雷达的两款微带阵列单脉冲天线专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且制造77GHz 频率的汽车前向防撞雷达对高端工艺条件不足的制造商会有困难。重新考虑24GHz和47GHz防撞雷达的设计有实际意义，而关键是在保证雷达性能的前提下，尽量减小天线尺寸及让尺寸具有更适合汽车前端的可安装性。本发明提出用于汽车前向防撞雷达的两款微带阵列单脉冲天线。所述两款天线具有相同的设计方案，分别工作于24GHz和47GHz，因而尺寸有所不同。使用了仿真计算方法来验证设计方案的合理性。所述天线的馈线设计使用了不连续性最小化技术，在本发明中提出了具体实施方法。设计的天线尺寸和仿真预示的方向性特性表明本发明提出的设计方案能够达到期望的目标。，下面是用于汽车前向防撞雷达的两款微带阵列单脉冲天线专利的具体信息内容。

权利要求

1.本发明提出用于汽车前向防撞雷达的两款微带阵列单脉冲天线，分别工作于24GHz和47GHz，所述两款天线具有相同的设计方案，其特征在于：整个天线由一个发射天线阵列和一个带和差环的接收天线阵列组成；发射天线阵列中的贴片单元共有10列12行，馈电点在阵列中心处；接收天线阵列分为两组，每组的贴片单元有7列12行，两组之间插入了一个和差环，通过和差环获得包含目标角度信息的和信号和差信号。
2.属于权利要求1、工作于24GHz微带阵列单脉冲天线，其特征在于，由贴片和馈线组成的微带金属图样，其展布面积尺寸约为97mm×207mm。
3.属于权利要求1、工作于47GHz微带阵列单脉冲天线，其特征在于，由贴片和馈线组成的微带金属图样，其展布面积尺寸约为50.3mm×108.3mm。
4.属于权利要求1的两款微带阵列单脉冲天线中的馈线使用了不连续性最小化设计技术，其特征在于，由馈线引出分支，在分支与分支之间的馈线段由3段构成，这3段的中间段宽度等于该3段两端馈线宽度的算术平均值。
5.属于权利要求1的两款微带阵列单脉冲天线，其特征在于，接收阵列和发射阵列中离中央馈电点最远的少数贴片连带着局部馈线可以被删除，而由此空出的位置可供安装结构孔使用。

说明书全文

用于汽车前向防撞雷达的两款微带阵列单脉冲天线

技术领域

[0001] 本发明属于电子信息领域，提出用于汽车前向防撞雷达的两款微带阵列单脉冲天线。技术背景

[0002] 汽车前向防撞雷达对交通安全有重要意义。这种雷达在中国的自主创造仍然在期待中。为了达到前向防撞的目的，要求将雷达安装在汽车前端，通常隐藏在一个塑料窗后。雷达应具有测量前方车辆相对于本车的距离、速度、和偏离本车纵轴向的角度，这些参数可用于为本车司机提供报警，或进一步用于制动辅助和自适应驾驶辅助。作用距离为100米到200米的“长距离雷达”具有最重要的意义，这种雷达在高速路上可能提供较早的报警。
国外早期发展的前向防撞雷达典型地使用24GHz附近的微波频率，近几年主要使用77GHz附近频率。高频率的最重要优点是可以使用小的天线尺寸达到防撞雷达需要的窄波束，而小的天线尺寸更方便于将雷达结合到小型车辆的前端里。77GHz雷达核心部件的生产需要较高的工艺条件，多家国外发展商已经拥有制造能力，但对中国汽车制造业尚未开放。这种条件下，国内有企业不得不购置国外24GHz雷达组件进行发展，导致雷达产品成本较高。同时已报道防撞雷达产品中天线波束主瓣太宽，旁瓣较高，实际应用中隐含着难以区分邻道车辆以及虚警较高的困难。

[0003] 微带阵列天线在商用雷达中已得到广泛应用，但其完整的设计技术仍然是各发展商拥有的技术秘密。国外含天线的雷达头和微波组件在中国市场上很流行，使国内发展商可以避开技术上的困难，但也失去了独立自主创造产品可能达到的灵活性、适应性和低价格。

[0004] 本发明提出用于汽车前向防撞雷达的两款微带阵列单脉冲天线，两款天线具有同样的技术特征，包括设计方案和馈线设计方法。两款天线分别工作于24.15GHz和47.1GHz频率附近，因此它们的尺寸完全不同。

[0005] 汽车前向防撞雷达必须提供正前方车道中车辆方位相对本车轴线的角度值。雷达通过单次照射，而不是扫描或多次照射，能够获得目标的角度信息，这种技术称为单脉冲雷达技术。原理上，单脉冲技术不必限于脉冲雷达，而是可以适用于连续波雷达。商用微波雷达中典型地使用一个发射天线和两个在方位向分离的接收天线来实现方位平面上的单脉冲测角原理。另一种典型方案是使用一个接收阵列，需要将接收阵列从对称中轴剖开，在剖开处插入一个称为和差环的微带电路单元。理论和实际设计可以证实，如果指定单脉冲接收天线的“和”方向图波束宽度或“差”方向图的有效宽度(用正负3dB点之间的夹角来表示)，带和差环的单脉冲天线在方位向的尺寸比两个分离接收天线方案在方位向的总尺寸要小至少1/3。

[0006] 不过，带和差环的单脉冲微带天线在设计中会遇到一些困难，在应用上并不流行。这是因为77GHz的使用，即使使用分离天线设计，天线也会很小，带和差环的天线在应用中变得不太必要。但例如当前面向中国市场的条件下，必须考虑24GHz雷达的应用，达到小尺寸的和差环单脉冲微带天线应该加以重新审视。

[0007] 美国Eaton公司在2000年前后推出的Vorad防撞雷达系统中使用了和差环单脉冲微带天线设计，可以作为本发明的参照。频率在24GHz频段时天线尺寸终归较大，雷达适合于外挂在大型长途公交车的前面上。Vorad雷达天线设计中有若干明显可改进之处。首先，雷达天线的高低向尺寸太宽，超过15cm，使得雷达难以嵌入到小型车辆的前端结构中。这个尺寸虽然使得高低向波束宽度只有5.25度，如果限制天线高低向尺寸到接近10cm，高低向波束宽度会适当加宽，车辆上下振动造成雷达信号起伏的问题反而得到改善，而同时雷达的可安装性会显著改善。第二，为了给和差环腾出位置，Vorad设计中简单地删除了接收天线中最中央的两个辐射单元，这里的功率最高，意味着对天线整体性能的扰动会非常明显。第三，微带阵列天线设计中向辐射单元供电的馈线设计是关键，但在Vorad设计中馈线外观明显体现设计技术落后：在分支与分支之间的馈线宽度不是单调变化的，而是按宽-窄-宽的模式，宽度的不连续性变化会产生寄生辐射，并且在每个分支处的宽度加宽会形成寄生辐射单元(即寄生天线)，这些寄生会使天线特性变差，损耗增大。应该指出，馈线宽-窄-宽的模式不是版图绘制人员的行为，而是下层设计理论决定的，说明依据的设计理论不够先进。

[0008] 本发明依据前向防撞雷达的实际需求，改进了Vorad天线设计的缺点。专业工作者应该明白，这不是简单的版图修改，而是需要设计理论的进步才能实施。因为事实上，设计良好的微带阵列天线，其设计结果是系统化的：它从每个局部到整体通过数学关系相互关联起来，实现希望的功率分配、阻抗匹配、辐射单元在电学和空间上的适当排布，最终达到希望的天线辐射方向性分布和与收发单元的匹配。这样的天线，它的每个局部都是准确计算的结果。任何较大的局部改动或显著的加工误差都可能严重影响天线的整体性能。同时，例如使用一个天线的局部分支和另一个天线的局部拼凑起来构造新的天线，这通常是行不通的。尽管如此，本发明相对于Vorad天线在设计方案上的改进是明确的和容易实施的，对天线的细节设计有明确的指导意义。

发明内容

[0009] 本发明针对汽车前向防撞雷达的实际需求，所设计的两款天线工作中心频率分别是24.15GHz和47.1GHz。两款天线具有相同的单脉冲天线设计方案：整个天线由一个发射天线阵列和一个带和差环的接收天线阵列组成；发射天线阵列中的贴片单元共有10列12行，馈电点在阵列中心处；接收天线阵列分为两组，每组的贴片单元有7列12行，两组之间插入了一个和差环，通过和差环获得包含目标角度信息的和信号和差信号。

[0010] 本发明所述24.15GHz微带阵列单脉冲天线，其设计方案用图样示于附图1中。相对于Vorad天线设计，本发明中首先对天线的高低向尺寸进行了压缩，因为这个尺寸是限制雷达可安装性的关键；同时适当扩张了天线的方位向尺寸，使得天线波束在方位向更窄，更适合于长距离防撞雷达的应用需求，而不影响可安装性。设计结果的天线金属图样总展布尺寸为97mm X 207mm。据此，雷达含外壳的横向尺寸有可能限制到110mm X 220mm。这个尺寸有可能适应更多车辆的前端外部和内部安装。

[0011] 作为对照，Vorad天线的发射阵列有10列18行，两个接收阵列分别有6列18行，天线金属图样总展布尺寸约为151mm X 192mm。这个尺寸使雷达基本没有内装的可能性，同时方位向波束偏宽，不利于长距离应用。

[0012] 与Vorad设计相比，本发明方案中的第二项改进是将接收阵列的两组对称地向两边又各自多拉开了四分之波长的距离，这给和差环的引入创造了更多的空间。其结果是和差环的插入对接收阵列中央区域的贴片只造成很小的改动。为了证实本发明中这个做法是否适当，需要使用商用或自编软件对改动后的天线进行仿真计算来检验。因为一般情况下，拉开两个接收阵列之间的距离会改变和差方向图，典型地可能会造成和方向图的带外抑制变差。图2和图3示出了仿真验证的结果。图2是接收天线的和方向图和差方向图的仿真计算结果，以线性坐标方式显示，横坐标为角度，纵坐标是相对幅度值。图3显示与图2同样的内容，只是图3的纵坐标为归一化对数刻度，单位为分贝(dBi)。可以看出，和方向图的带外在-15dB以下并有余量，符合国外防撞雷达制造商通行的指标要求。图4是接收天线高低向方向性图。

[0013] 仿真计算能够获得以下指标数据：

[0014] 和方向图方位向波束宽度：±3.5°

[0015] 和方向图高低向波束宽度：8.3°

[0016] 差方向图的有效宽度(正负瓣内侧3dB点之间的夹角)：±2.8°

[0017] 差方向图的峰值宽度(正负瓣峰值点之间的夹角)：±5.85°

[0018] 以上数据结果完全符合国外长距离防撞雷达制造商通行的指标要求，并能够作为设计自适应驾驶控制系统的依据。图5是发射阵列天线仿真计算的E面(即方位向)方向图；图6是发射阵列天线仿真计算的H面(即高低向)方向图。

[0019] 仿真计算获得发射阵列天线的指标数据：

[0020] 方位向波束-3dB宽度：10.2°

[0021] 高低向波束-3dB宽度：8.3°

[0022] 这些指标说明发射天线与接收天线方向性的配合是适当的。

[0023] 本发明的方案中对馈线设计创造和使用了不连续性最小化设计方法。图7示出了Vorad设计中馈线的典型局部图样，这种图样在其他制造商发布的天线图片中也能够见到，其特征是在分支与分支之间的馈线宽度不是单调变化的，而是按宽-窄-宽的模式。宽度的不连续性变化会产生寄生辐射，并且在每个分支处的宽度加宽会形成寄生辐射单元(寄生天线单元)，这些寄生会使天线特性变差，并增加天线损耗。

[0024] 图8中是本发明设计方案中馈线的典型局部图样，其特征是在分支与分支之间的馈线宽度是单调变化的，宽度的不连续性变化仍然存在，但总尺度大大减小。特别是，多数寄生天线(天线贴片旁的馈线增宽段)从形态上被弱化。对此，在设计理论的演绎中获得了很简单的计算方法：分支之间的馈线由3段构成，中间段的馈线宽度应该等于两端馈线宽度的算术平均值。

[0025] 细致的电磁仿真和实际测试都可以检验，不连续性最小化设计能够有效地抑制寄生辐射效应，在适当良好的天线印制板制造条件下，天线测试得到的方向性图与仿真预示的方向性图符合得相当好。需要指出的是，不连续性最小化设计和Vorad设计相比，不能视为简单的版图修改，而是两种设计在底层设计理论上有所不同。

[0026] 本发明的设计方案还用于47.1GHz前向防撞雷达的天线设计。这个频率值得重视的原因在于(1)它是中国和亚、美、澳、非各区域的无申报频率(业余频率、ISM频率)，适合防撞雷达应用；(2)该频率上微波电路的制造仍然可以使用片芯+金丝绑定的模式，被认为是这种工艺模式可实施的上限频率，这对缺乏高级制造工艺的制造商有重大意义；(3)相关微波器件已经能够从国外多家制造商以合理价格买到。这些条件不仅意味着47.1GHz前向防撞雷达的成熟性和可实施性，同时意味着它将是一种有竞争力的低价格解。

[0027] 本发明中47.1GHz前向防撞雷达的天线设计使用了24.15GHz前向防撞雷达天线设计的同样指标要求。图9是47.1GHz微带阵列单脉冲天线的设计方案，天线金属图样总的展布尺寸约为50.3mm X 108.3mm。据此，雷达含外壳的横向尺寸有可能限制到60mm X120mm，这和国外若干77GHz防撞雷达的横向尺寸相当，能够适应小型车辆前端内部安装的要求。

[0028] 图10是47.1GHz微带阵列接收天线的和方向图和差方向图的仿真计算结果，以线性坐标方式显示，横坐标为角度，纵坐标是相对幅度值。图11显示与图10同样的内容，只是图12的纵坐标为归一化对数刻度，单位为分贝(dBi)。可以看出，和方向图的带外在-15dB以下并有适当余量，符合国外防撞雷达制造商通行的指标要求。图12是接收天线高低向方向性图。

[0029] 图13是47.1GHz发射阵列天线仿真计算的E面(即方位向)方向图；图14是发射阵列天线仿真计算的H面(即高低向)方向图。

[0030] 仿真计算能够获得47.1GHz天线的以下指标数据：

[0031] 接收和方向图方位向波束宽度：±3.44°

[0032] 接收和方向图高低向波束宽度：8.25°

[0033] 接收差方向图的有效宽度(正负3dB点之间的夹角)：±2.8°

[0034] 接收差方向图的峰值宽度(正负瓣峰值点之间的夹角)：±5.8°

[0035] 发射方位向波束-3dB宽度：10.2°

[0036] 发射高低向波束-3dB宽度：8.37°

[0037] 这些指标说明为47.1GHz雷达设计的发射天线与接收天线，其方向性的配合是适当的。以上图10、11、12、13、14所显示的仿真结果表明，将本发明提出的技术方案和措施用于47.1GHz防撞雷达单脉冲天线设计，能够得到符合应用需求的设计结果。

[0038] 本发明的方案用于47.1GHz雷达达到的小尺寸和技术指标对于工艺条件不足的雷达发展商有实际意义，有希望发展出适合于小型车辆的低价型长距离防撞雷达，而绕开应用77GHz会面临的困难。

附图说明

[0039] 图1 24.15GHz微带阵列单脉冲天线的设计方案

[0040] 图2 24.15GHz微带阵列单脉冲接收天线的和方向图和差方向图的仿真计算结果，以线性坐标方式显示。

[0041] 图3 24.15GHz微带阵列单脉冲接收天线的和方向图和差方向图的仿真计算结果，纵坐标为归一化对数刻度。

[0042] 图4 24.15GHz微带阵列单脉冲接收天线高低向方向性图。

[0043] 图5 24.15GHz微带发射阵列天线仿真计算的E面(即方位向)方向图。

[0044] 图6 24.15GHz微带发射阵列天线仿真计算的H面(即高低向)方向图。

[0045] 图7 Vorad天线设计中馈线的典型局部图样。

[0046] 图8 本发明设计方案中馈线的典型局部图样，体现了馈线的不连续性最小化设计技术。

[0047] 图9 47.1GHz微带阵列单脉冲天线的设计方案。

[0048] 图10 47.1GHz微带阵列接收天线的和方向图和差方向图的仿真计算结果，以线性坐标方式显示。

[0049] 图11 47.1GHz微带阵列接收天线的和方向图和差方向图的仿真计算结果，纵坐标为归一化对数刻度。

[0050] 图12 47.1GHz微带阵列接收天线高低向方向性图。

[0051] 图13 47.1GHz发射阵列天线仿真计算的E面(即方位向)方向图。

[0052] 图14 47.1GHz发射阵列天线仿真计算的H面(即高低向)方向图。

[0053] 图15 本发明天线方案中，删除离馈电点最远少数几个贴片及连带的局部馈线，将空出的位置用于设置安装孔的实际处理例子。

具体实施方式

[0054] 本发明意在为汽车前向防撞雷达的天线设计提供最合理的方案和方法。根据国外同类产品制造商发布的产品指标要求以及在汽车前端安装的结构限制，本发明针对24.15GHz和47.1GHz两种典型应用频率，分析了国外典型设计方案的缺点，提出了改进方案，并用仿真计算方法检验了按本发明所述方案进行的设计，其设计能够达到满足要求的技术指标

[0055] 天线图样制造在双面覆铜的微波材料板(例如聚四氟玻璃纤维板)的一个面上，而另一个覆铜面是接地面。微波材料板很薄，需要将这种印制板粘贴到一个导电良好的金属支撑基板上，使得支撑基板也成为天线的接地面。基板背面适合于安装微波收发电路，并且在基板上制造必要的小孔，通过小孔实现天线和微波收发电路的互连。由于天线工作频率很高，对联通小孔的结构尺寸需要考虑，使得小孔具有同轴线结构。天线基板上制作的小孔形成同轴线的自然外壁，连接线带有聚四氟外套，与小孔紧密结合。小孔、导线、聚四氟套的直径需要按照同轴结构的特性阻抗要求进行设计计算，而特性阻抗值的选取必须使微波电路和天线达到良好的匹配。

[0056] 由于雷达连同天线的尺寸小型化对实际应用很重要，设计天线时必须连同安装问题同时加以考虑。在实际中，可以将天线中离馈电点最远的少数贴片单元删除掉。由于传送到这些贴片上的微波电流变得很弱，删除这些贴片单元后对天线特性的影响可以忽略。图15示出了一个实际处理的例子。在该例子中将收发阵列中离馈电中心最远的4个贴片单元删除，留下的空间位置可以设置安装孔。这种处理方法对24.15GHz天线和对47.1GHz天线都是适用的。

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