本發(fā)明屬于電子信息領(lǐng)域，提出用于汽車前向防撞雷達(dá)的兩款微帶陣列單脈沖天線。

技術(shù)背景

汽車前向防撞雷達(dá)對交通安全有重要意義。這種雷達(dá)在中國的自主創(chuàng)造仍然在期待中。為了達(dá)到前向防撞的目的，要求將雷達(dá)安裝在汽車前端，通常隱藏在一個(gè)塑料窗后。雷達(dá)應(yīng)具有測量前方車輛相對于本車的距離、速度、和偏離本車縱軸向的角度，這些參數(shù)可用于為本車司機(jī)提供報(bào)警，或進(jìn)一步用于制動輔助和自適應(yīng)駕駛輔助。作用距離為100米到200米的“長距離雷達(dá)”具有最重要的意義，這種雷達(dá)在高速路上可能提供較早的報(bào)警。國外早期發(fā)展的前向防撞雷達(dá)典型地使用24GHz附近的微波頻率，近幾年主要使用77GHz附近頻率。高頻率的最重要優(yōu)點(diǎn)是可以使用小的天線尺寸達(dá)到防撞雷達(dá)需要的窄波束，而小的天線尺寸更方便于將雷達(dá)結(jié)合到小型車輛的前端里。77GHz雷達(dá)核心部件的生產(chǎn)需要較高的工藝條件，多家國外發(fā)展商已經(jīng)擁有制造能力，但對中國汽車制造業(yè)尚未開放。這種條件下，國內(nèi)有企業(yè)不得不購置國外24GHz雷達(dá)組件進(jìn)行發(fā)展，導(dǎo)致雷達(dá)產(chǎn)品成本較高。同時(shí)已報(bào)道防撞雷達(dá)產(chǎn)品中天線波束主瓣太寬，旁瓣較高，實(shí)際應(yīng)用中隱含著難以區(qū)分鄰道車輛以及虛警較高的困難。

微帶陣列天線在商用雷達(dá)中已得到廣泛應(yīng)用，但其完整的設(shè)計(jì)技術(shù)仍然是各發(fā)展商擁有的技術(shù)秘密。國外含天線的雷達(dá)頭和微波組件在中國市場上很流行，使國內(nèi)發(fā)展商可以避開技術(shù)上的困難，但也失去了獨(dú)立自主創(chuàng)造產(chǎn)品可能達(dá)到的靈活性、適應(yīng)性和低價(jià)格。

本發(fā)明提出用于汽車前向防撞雷達(dá)的兩款微帶陣列單脈沖天線，兩款天線具有同樣的技術(shù)特征，包括設(shè)計(jì)方案和饋線設(shè)計(jì)方法。兩款天線分別工作于24.15GHz和47.1GHz頻率附近，因此它們的尺寸完全不同。

汽車前向防撞雷達(dá)必須提供正前方車道中車輛方位相對本車軸線的角度值。雷達(dá)通過單次照射，而不是掃描或多次照射，能夠獲得目標(biāo)的角度信息，這種技術(shù)稱為單脈沖雷達(dá)技術(shù)。原理上，單脈沖技術(shù)不必限于脈沖雷達(dá)，而是可以適用于連續(xù)波雷達(dá)。商用微波雷達(dá)中典型地使用一個(gè)發(fā)射天線和兩個(gè)在方位向分離的接收天線來實(shí)現(xiàn)方位平面上的單脈沖測角原理。另一種典型方案是使用一個(gè)接收陣列，需要將接收陣列從對稱中軸剖開，在剖開處插入一個(gè)稱為和差環(huán)的微帶電路單元。理論和實(shí)際設(shè)計(jì)可以證實(shí)，如果指定單脈沖接收天線的“和”方向圖波束寬度或“差”方向圖的有效寬度(用正負(fù)3dB點(diǎn)之間的夾角來表示)，帶和差環(huán)的單脈沖天線在方位向的尺寸比兩個(gè)分離接收天線方案在方位向的總尺寸要小至少1/3。

不過，帶和差環(huán)的單脈沖微帶天線在設(shè)計(jì)中會遇到一些困難，在應(yīng)用上并不流行。這是因?yàn)?7GHz的使用，即使使用分離天線設(shè)計(jì)，天線也會很小，帶和差環(huán)的天線在應(yīng)用中變得不太必要。但例如當(dāng)前面向中國市場的條件下，必須考慮24GHz雷達(dá)的應(yīng)用，達(dá)到小尺寸的和差環(huán)單脈沖微帶天線應(yīng)該加以重新審視。

美國Eaton公司在2000年前后推出的Vorad防撞雷達(dá)系統(tǒng)中使用了和差環(huán)單脈沖微帶天線設(shè)計(jì)，可以作為本發(fā)明的參照。頻率在24GHz頻段時(shí)天線尺寸終歸較大，雷達(dá)適合于外掛在大型長途公交車的前面上。Vorad雷達(dá)天線設(shè)計(jì)中有若干明顯可改進(jìn)之處。首先，雷達(dá)天線的高低向尺寸太寬，超過15cm，使得雷達(dá)難以嵌入到小型車輛的前端結(jié)構(gòu)中。這個(gè)尺寸雖然使得高低向波束寬度只有5.25度，如果限制天線高低向尺寸到接近10cm，高低向波束寬度會適當(dāng)加寬，車輛上下振動造成雷達(dá)信號起伏的問題反而得到改善，而同時(shí)雷達(dá)的可安裝性會顯著改善。第二，為了給和差環(huán)騰出位置，Vorad設(shè)計(jì)中簡單地刪除了接收天線中最中央的兩個(gè)輻射單元，這里的功率最高，意味著對天線整體性能的擾動會非常明顯。第三，微帶陣列天線設(shè)計(jì)中向輻射單元供電的饋線設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，但在Vorad設(shè)計(jì)中饋線外觀明顯體現(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)落后：在分支與分支之間的饋線寬度不是單調(diào)變化的，而是按寬-窄-寬的模式，寬度的不連續(xù)性變化會產(chǎn)生寄生輻射，并且在每個(gè)分支處的寬度加寬會形成寄生輻射單元(即寄生天線)，這些寄生會使天線特性變差，損耗增大。 應(yīng)該指出，饋線寬-窄-寬的模式不是版圖繪制人員的行為，而是下層設(shè)計(jì)理論決定的，說明依據(jù)的設(shè)計(jì)理論不夠先進(jìn)。

本發(fā)明依據(jù)前向防撞雷達(dá)的實(shí)際需求，改進(jìn)了Vorad天線設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。專業(yè)工作者應(yīng)該明白，這不是簡單的版圖修改，而是需要設(shè)計(jì)理論的進(jìn)步才能實(shí)施。因?yàn)槭聦?shí)上，設(shè)計(jì)良好的微帶陣列天線，其設(shè)計(jì)結(jié)果是系統(tǒng)化的：它從每個(gè)局部到整體通過數(shù)學(xué)關(guān)系相互關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)希望的功率分配、阻抗匹配、輻射單元在電學(xué)和空間上的適當(dāng)排布，最終達(dá)到希望的天線輻射方向性分布和與收發(fā)單元的匹配。這樣的天線，它的每個(gè)局部都是準(zhǔn)確計(jì)算的結(jié)果。任何較大的局部改動或顯著的加工誤差都可能嚴(yán)重影響天線的整體性能。同時(shí)，例如使用一個(gè)天線的局部分支和另一個(gè)天線的局部拼湊起來構(gòu)造新的天線，這通常是行不通的。盡管如此，本發(fā)明相對于Vorad天線在設(shè)計(jì)方案上的改進(jìn)是明確的和容易實(shí)施的，對天線的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)有明確的指導(dǎo)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對汽車前向防撞雷達(dá)的實(shí)際需求，所設(shè)計(jì)的兩款天線工作中心頻率分別是24.15GHz和47.1GHz。兩款天線具有相同的單脈沖天線設(shè)計(jì)方案：整個(gè)天線由一個(gè)發(fā)射天線陣列和一個(gè)帶和差環(huán)的接收天線陣列組成；發(fā)射天線陣列中的貼片單元共有10列12行，饋電點(diǎn)在陣列中心處；接收天線陣列分為兩組，每組的貼片單元有7列12行，兩組之間插入了一個(gè)和差環(huán)，通過和差環(huán)獲得包含目標(biāo)角度信息的和信號和差信號。

本發(fā)明所述24.15GHz微帶陣列單脈沖天線，其設(shè)計(jì)方案用圖樣示于附圖1中。相對于Vorad天線設(shè)計(jì)，本發(fā)明中首先對天線的高低向尺寸進(jìn)行了壓縮，因?yàn)檫@個(gè)尺寸是限制雷達(dá)可安裝性的關(guān)鍵；同時(shí)適當(dāng)擴(kuò)張了天線的方位向尺寸，使得天線波束在方位向更窄，更適合于長距離防撞雷達(dá)的應(yīng)用需求，而不影響可安裝性。設(shè)計(jì)結(jié)果的天線金屬圖樣總展布尺寸為97mm X 207mm。據(jù)此，雷達(dá)含外殼的橫向尺寸有可能限制到110mm X 220mm。這個(gè)尺寸有可能適應(yīng)更多車輛的前端外部和內(nèi)部安裝。

作為對照，Vorad天線的發(fā)射陣列有10列18行，兩個(gè)接收陣列分別有6列18行，天線金屬圖樣總展布尺寸約為151mm X 192mm。這個(gè)尺寸使雷達(dá)基本沒有內(nèi)裝的可能性，同時(shí)方位向波束偏寬，不利于長距離應(yīng)用。

與Vorad設(shè)計(jì)相比，本發(fā)明方案中的第二項(xiàng)改進(jìn)是將接收陣列的兩組對稱地向兩邊又各自多拉開了四分之波長的距離，這給和差環(huán)的引入創(chuàng)造了更多的空間。其結(jié)果是和差環(huán)的插入對接收陣列中央?yún)^(qū)域的貼片只造成很小的改動。為了證實(shí)本發(fā)明中這個(gè)做法是否適當(dāng)，需要使用商用或自編軟件對改動后的天線進(jìn)行仿真計(jì)算來檢驗(yàn)。因?yàn)橐话闱闆r下，拉開兩個(gè)接收陣列之間的距離會改變和差方向圖，典型地可能會造成和方向圖的帶外抑制變差。圖2和圖3示出了仿真驗(yàn)證的結(jié)果。圖2是接收天線的和方向圖和差方向圖的仿真計(jì)算結(jié)果，以線性坐標(biāo)方式顯示，橫坐標(biāo)為角度，縱坐標(biāo)是相對幅度值。圖3顯示與圖2同樣的內(nèi)容，只是圖3的縱坐標(biāo)為歸一化對數(shù)刻度，單位為分貝(dBi)。可以看出，和方向圖的帶外在-15dB以下并有余量，符合國外防撞雷達(dá)制造商通行的指標(biāo)要求。圖4是接收天線高低向方向性圖。

仿真計(jì)算能夠獲得以下指標(biāo)數(shù)據(jù)：

和方向圖方位向波束寬度：±3.5°

和方向圖高低向波束寬度：8.3°

差方向圖的有效寬度(正負(fù)瓣內(nèi)側(cè)3dB點(diǎn)之間的夾角)：±2.8°

差方向圖的峰值寬度(正負(fù)瓣峰值點(diǎn)之間的夾角)：±5.85°

以上數(shù)據(jù)結(jié)果完全符合國外長距離防撞雷達(dá)制造商通行的指標(biāo)要求，并能夠作為設(shè)計(jì)自適應(yīng)駕駛控制系統(tǒng)的依據(jù)。圖5是發(fā)射陣列天線仿真計(jì)算的E面(即方位向)方向圖；圖6是發(fā)射陣列天線仿真計(jì)算的H面(即高低向)方向圖。

仿真計(jì)算獲得發(fā)射陣列天線的指標(biāo)數(shù)據(jù)：

方位向波束-3dB寬度：10.2°

高低向波束-3dB寬度：8.3°

這些指標(biāo)說明發(fā)射天線與接收天線方向性的配合是適當(dāng)?shù)摹?/p>

本發(fā)明的方案中對饋線設(shè)計(jì)創(chuàng)造和使用了不連續(xù)性最小化設(shè)計(jì)方 法。圖7示出了Vorad設(shè)計(jì)中饋線的典型局部圖樣，這種圖樣在其他制造商發(fā)布的天線圖片中也能夠見到，其特征是在分支與分支之間的饋線寬度不是單調(diào)變化的，而是按寬-窄-寬的模式。寬度的不連續(xù)性變化會產(chǎn)生寄生輻射，并且在每個(gè)分支處的寬度加寬會形成寄生輻射單元(寄生天線單元)，這些寄生會使天線特性變差，并增加天線損耗。

圖8中是本發(fā)明設(shè)計(jì)方案中饋線的典型局部圖樣，其特征是在分支與分支之間的饋線寬度是單調(diào)變化的，寬度的不連續(xù)性變化仍然存在，但總尺度大大減小。特別是，多數(shù)寄生天線(天線貼片旁的饋線增寬段)從形態(tài)上被弱化。對此，在設(shè)計(jì)理論的演繹中獲得了很簡單的計(jì)算方法：分支之間的饋線由3段構(gòu)成，中間段的饋線寬度應(yīng)該等于兩端饋線寬度的算術(shù)平均值。

細(xì)致的電磁仿真和實(shí)際測試都可以檢驗(yàn)，不連續(xù)性最小化設(shè)計(jì)能夠有效地抑制寄生輻射效應(yīng)，在適當(dāng)良好的天線印制板制造條件下，天線測試得到的方向性圖與仿真預(yù)示的方向性圖符合得相當(dāng)好。需要指出的是，不連續(xù)性最小化設(shè)計(jì)和Vorad設(shè)計(jì)相比，不能視為簡單的版圖修改，而是兩種設(shè)計(jì)在底層設(shè)計(jì)理論上有所不同。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案還用于47.1GHz前向防撞雷達(dá)的天線設(shè)計(jì)。這個(gè)頻率值得重視的原因在于(1)它是中國和亞、美、澳、非各區(qū)域的無申報(bào)頻率(業(yè)余頻率、ISM頻率)，適合防撞雷達(dá)應(yīng)用；(2)該頻率上微波電路的制造仍然可以使用片芯+金絲綁定的模式，被認(rèn)為是這種工藝模式可實(shí)施的上限頻率，這對缺乏高級制造工藝的制造商有重大意義；(3)相關(guān)微波器件已經(jīng)能夠從國外多家制造商以合理價(jià)格買到。這些條件不僅意味著47.1GHz前向防撞雷達(dá)的成熟性和可實(shí)施性，同時(shí)意味著它將是一種有競爭力的低價(jià)格解。

本發(fā)明中47.1GHz前向防撞雷達(dá)的天線設(shè)計(jì)使用了24.15GHz前向防撞雷達(dá)天線設(shè)計(jì)的同樣指標(biāo)要求。圖9是47.1GHz微帶陣列單脈沖天線的設(shè)計(jì)方案，天線金屬圖樣總的展布尺寸約為50.3mm X 108.3mm。據(jù)此，雷達(dá)含外殼的橫向尺寸有可能限制到60mm X 120mm，這和國外若干77GHz防撞雷達(dá)的橫向尺寸相當(dāng)，能夠適應(yīng)小型車輛前端內(nèi)部安裝的要求。

圖10是47.1GHz微帶陣列接收天線的和方向圖和差方向圖的仿真計(jì)算結(jié)果，以線性坐標(biāo)方式顯示，橫坐標(biāo)為角度，縱坐標(biāo)是相對幅度值。圖11顯示與圖10同樣的內(nèi)容，只是圖12的縱坐標(biāo)為歸一化對數(shù)刻度，單位為分貝(dBi)?？梢钥闯?，和方向圖的帶外在-15dB以下并有適當(dāng)余量，符合國外防撞雷達(dá)制造商通行的指標(biāo)要求。圖12是接收天線高低向方向性圖。

圖13是47.1GHz發(fā)射陣列天線仿真計(jì)算的E面(即方位向)方向圖；圖14是發(fā)射陣列天線仿真計(jì)算的H面(即高低向)方向圖。

仿真計(jì)算能夠獲得47.1GHz天線的以下指標(biāo)數(shù)據(jù)：

接收和方向圖方位向波束寬度：±3.44°

接收和方向圖高低向波束寬度：8.25°

接收差方向圖的有效寬度(正負(fù)3dB點(diǎn)之間的夾角)：±2.8°

接收差方向圖的峰值寬度(正負(fù)瓣峰值點(diǎn)之間的夾角)：±5.8°

發(fā)射方位向波束-3dB寬度：10.2°

發(fā)射高低向波束-3dB寬度：8.37°

這些指標(biāo)說明為47.1GHz雷達(dá)設(shè)計(jì)的發(fā)射天線與接收天線，其方向性的配合是適當(dāng)?shù)摹Ｒ陨蠄D10、11、12、13、14所顯示的仿真結(jié)果表明，將本發(fā)明提出的技術(shù)方案和措施用于47.1GHz防撞雷達(dá)單脈沖天線設(shè)計(jì)，能夠得到符合應(yīng)用需求的設(shè)計(jì)結(jié)果。

本發(fā)明的方案用于47.1GHz雷達(dá)達(dá)到的小尺寸和技術(shù)指標(biāo)對于工藝條件不足的雷達(dá)發(fā)展商有實(shí)際意義，有希望發(fā)展出適合于小型車輛的低價(jià)型長距離防撞雷達(dá)，而繞開應(yīng)用77GHz會面臨的困難。

附圖說明

圖1 24.15GHz微帶陣列單脈沖天線的設(shè)計(jì)方案

圖2 24.15GHz微帶陣列單脈沖接收天線的和方向圖和差方向圖的仿真計(jì)算結(jié)果，以線性坐標(biāo)方式顯示。

圖3 24.15GHz微帶陣列單脈沖接收天線的和方向圖和差方向圖的仿真計(jì)算結(jié)果，縱坐標(biāo)為歸一化對數(shù)刻度。

圖4 24.15GHz微帶陣列單脈沖接收天線高低向方向性圖。

圖5 24.15GHz微帶發(fā)射陣列天線仿真計(jì)算的E面(即方位向)方 向圖。

圖6 24.15GHz微帶發(fā)射陣列天線仿真計(jì)算的H面(即高低向)方向圖。

圖7 Vorad天線設(shè)計(jì)中饋線的典型局部圖樣。

圖8 本發(fā)明設(shè)計(jì)方案中饋線的典型局部圖樣，體現(xiàn)了饋線的不連續(xù)性最小化設(shè)計(jì)技術(shù)。

圖9 47.1GHz微帶陣列單脈沖天線的設(shè)計(jì)方案。

圖10 47.1GHz微帶陣列接收天線的和方向圖和差方向圖的仿真計(jì)算結(jié)果，以線性坐標(biāo)方式顯示。

圖11 47.1GHz微帶陣列接收天線的和方向圖和差方向圖的仿真計(jì)算結(jié)果，縱坐標(biāo)為歸一化對數(shù)刻度。

圖12 47.1GHz微帶陣列接收天線高低向方向性圖。

圖13 47.1GHz發(fā)射陣列天線仿真計(jì)算的E面(即方位向)方向圖。

圖14 47.1GHz發(fā)射陣列天線仿真計(jì)算的H面(即高低向)方向圖。

圖15 本發(fā)明天線方案中，刪除離饋電點(diǎn)最遠(yuǎn)少數(shù)幾個(gè)貼片及連帶的局部饋線，將空出的位置用于設(shè)置安裝孔的實(shí)際處理例子。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明意在為汽車前向防撞雷達(dá)的天線設(shè)計(jì)提供最合理的方案和方法。根據(jù)國外同類產(chǎn)品制造商發(fā)布的產(chǎn)品指標(biāo)要求以及在汽車前端安裝的結(jié)構(gòu)限制，本發(fā)明針對24.15GHz和47.1GHz兩種典型應(yīng)用頻率，分析了國外典型設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)方案，并用仿真計(jì)算方法檢驗(yàn)了按本發(fā)明所述方案進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)能夠達(dá)到滿足要求的技術(shù)指標(biāo)

天線圖樣制造在雙面覆銅的微波材料板(例如聚四氟玻璃纖維板)的一個(gè)面上，而另一個(gè)覆銅面是接地面。微波材料板很薄，需要將這種印制板粘貼到一個(gè)導(dǎo)電良好的金屬支撐基板上，使得支撐基板也成為天線的接地面?；灞趁孢m合于安裝微波收發(fā)電路，并且在基板上制造必要的小孔，通過小孔實(shí)現(xiàn)天線和微波收發(fā)電路的互連。由于天線工作頻率很高，對聯(lián)通小孔的結(jié)構(gòu)尺寸需要考慮，使得小孔具有同軸線結(jié)構(gòu)。天線基板上制作的小孔形成同軸線的自然外壁，連接線帶有聚四氟外套， 與小孔緊密結(jié)合。小孔、導(dǎo)線、聚四氟套的直徑需要按照同軸結(jié)構(gòu)的特性阻抗要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，而特性阻抗值的選取必須使微波電路和天線達(dá)到良好的匹配。

由于雷達(dá)連同天線的尺寸小型化對實(shí)際應(yīng)用很重要，設(shè)計(jì)天線時(shí)必須連同安裝問題同時(shí)加以考慮。在實(shí)際中，可以將天線中離饋電點(diǎn)最遠(yuǎn)的少數(shù)貼片單元?jiǎng)h除掉。由于傳送到這些貼片上的微波電流變得很弱，刪除這些貼片單元后對天線特性的影響可以忽略。圖15示出了一個(gè)實(shí)際處理的例子。在該例子中將收發(fā)陣列中離饋電中心最遠(yuǎn)的4個(gè)貼片單元?jiǎng)h除，留下的空間位置可以設(shè)置安裝孔。這種處理方法對24.15GHz天線和對47.1GHz天線都是適用的。