CN115566400B - 3d金属化车载毫米波雷达天线，车载毫米波雷达及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D金属化车载毫米波雷达天线，车载毫米波雷达及汽车，所述车载毫米波雷达天线可采用一体化成型工艺进行制作，包括从上到下依次排列的辐射层，耦合层­，波导层和馈电层，各相邻层之间无缝贴合，且各层均为金属化结构或者塑胶成形后表面金属化结构；所述辐射层设有N个辐射单元；所述耦合层与各辐射单元相对应位置处设有波导单元；所述波导层设有谐振腔，在所述谐振腔内设有矩形槽；所述馈电层设有矩形波导，所述波导传输线用于向波导层馈电，所述波导层通过耦合层对辐射层的辐射单元进行耦合馈电。本发明用多层金属化结构天线实现了水平极化和辐射方向图高度对称平滑。

Description

3D金属化车载毫米波雷达天线，车载毫米波雷达及汽车

技术领域

本发明涉及车载天线技术领域，特别涉及一种3D金属化车载毫米波雷达天线，车载毫米波雷达及汽车。

背景技术

随着我国经济水平的不断提高和汽车工业的飞速发展，我国汽车保有量连年增长，汽车交通事故的发生率也随之提高，由汽车交通事故造成的财产损失和人员伤亡屡创新高。车载雷达可以实时探测汽车周围物体的速度，距离和位置，通过探测汽车周围的形式环境，并根据获取到的道路、车辆位置及障碍物信息，实现盲区检测、自适应巡航、碰撞预警等功能，进而判断汽车周围是否有其它车辆、障碍物、行人等对汽车行驶造成威胁，降低事故发生的概率。

目前，常见的车载雷达主要有超声波雷达、激光雷达、毫米波雷达和图像传感器几种类型。77GHz毫米波雷达具有很高的测量精度和更小的体积，是目前发展的主流产品。天线阵列是毫米波车载雷达的关键器件之一，主要的形式有介质集成波导天线，透镜天线，微带贴片天线。其中，介质集成波导天线和微带贴片天线采用的馈电方式均为共面侧馈，对天线辐射性能造成严重影响，且微带贴片天线具有较大的介质损耗和微带损耗，导致辐射效率低。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种3D金属化车载毫米波雷达天线，车载毫米波雷达及汽车，通过多层对称的金属化天线结构和从下到上的馈电方式，实现了水平极化，及水平极化下的辐射方向图高度对称和平滑。

具体的，本发明所述的3D金属化车载毫米波雷达天线，包括从上到下依次排列的辐射层，耦合层，波导层和馈电层，各相邻层之间无缝贴合。

其中，所述辐射层设置N个沿辐射层的长边方向线性分布的辐射单元,N≥2；所述耦合层在朝向辐射层一面且与各辐射单元相对应位置处设有波导单元；所述波导层在朝向馈电层一面向内设有谐振腔，所述谐振腔为不规则长条形；在朝向耦合层一面向内设有矩形槽，所述矩形槽与所述波导单元中心对齐，与谐振腔的长边基本平行，且与所述谐振腔形成通心结构；所述馈电层在朝向波导层一面的中心位置处设有矩形波导，所述矩形波导用于向波导层馈电，所述波导层通过耦合层对辐射层的辐射单元进行耦合馈电。

优选的，矩形槽的宽度同为0.2-1mm，高为0.1-1mm，长度为1.5-2.2mm。对于八单元矩形槽，谐振腔的总长度为18-23mm，高为0.5-1mm，宽为3.5-4.5mm。

优选的，馈电层采用波端口馈电的方式，矩形波导的横截面长度为3.26mm，宽度为1.05mm，矩形波导满足在76-81GHz频段内单模传输条件时，其横截面尺寸均可。

所述车载毫米波雷达天线可采用一体化成型工艺进行制作，所述辐射层，耦合层，波导层和馈电层均为矩形金属结构层或者塑胶成形后表面金属化结构。

所述辐射单元为从所述辐射层一面穿至另一面的通心结构，所述通心结构为长方体结构或四棱台结构；所述空心波导四棱台结构从所述辐射层短边中轴线沿厚度方向截面为梯形，所述梯形的长底边所在的矩形面与所述辐射层背离耦合层一面的表面齐平；所述梯形的短底边所在的矩形面与所述辐射层朝向耦合层一面的表面齐平。

所述波导单元包括相互配合成T字形的第一矩形波导和第二矩形波导；所述第一矩形波导为在所述耦合层表面开设的横向矩形凹槽；每一所述第一矩形波导的矩形凹槽长边相等，短边为由中间向两边的矩形凹槽依次减小；中间的矩形凹槽短边不超过所述辐射单元的短边的长度；所述第二矩形波导为从所述矩形凹槽长边的中间位置处朝向耦合层另一面开设矩形通槽穿透耦合层；所有第二矩形波导的尺寸相等，其短边小于所述第一矩形波导的最小短边尺寸。

优选的，所述谐振腔为空心波导腔，所述波导层实现了功率的一分八，当波导层由矩形波导从底部中心馈电时，空心波导腔的交错排布，保证了沿轴线分布的八个矩形槽的磁流方向一致；再通过对空心波导腔和矩形枝节的尺寸优化，使矩形槽上的电流分布接近切比雪夫加权分布。

其中，任2个相邻辐射单元中心至中心距离等于相邻第一矩形波导中心至中心的距离，且均等于半个波导波长。

所述谐振腔由N个相互交错排布的单腔组成，所述单腔为一凸形，且相邻单腔相互沿反向凸出分布；同一朝向的凸形位于同一水平或竖直线上，且相邻凸形中的一凸形的凸出面高于另一凸形的凸出面对应的底平面。

在所述底平面且靠近相邻单腔侧所对应的内角处开设矩形枝节，所述矩形枝节朝向所述矩形槽，且矩形枝节短边中轴线所在的延长线与所述矩形槽所在水平或竖直线成45°角，用于调节匹配和功率分配。

将矩形槽所在线两侧相对位置的所述矩形枝节两两分组，共N-1组，每组矩形枝节将单腔隔离开，所述矩形槽分布于所述单腔中心位置处。

作为另一优选的，本发明还提供一种车载毫米波雷达，所述车载毫米波雷达为如上所述中任一项所述的3D金属化车载毫米波雷达天线。

作为另一优选的，本发明还提供一种汽车，包括如上所述的车载毫米波雷达，所述车载毫米波雷达安装于汽车中的任意处。

终上所述，本发明提供一种3D金属化车载毫米波雷达天线，车载毫米波雷达及汽车，所述车载毫米波雷达天线可采用一体化成型工艺进行制作，包括从上到下依次排列的辐射层，耦合层，波导层和馈电层，各相邻层之间无缝贴合，且各层均为金属化结构或者塑胶成形后表面金属化结构；所述辐射层设有N个辐射单元；所述耦合层与各辐射单元相对应位置处设有波导单元；所述波导层设有谐振腔，在所述谐振腔内设有矩形槽；所述馈电层设有矩形波导，所述波导传输线用于向波导层馈电，所述波导层通过耦合层对辐射层的辐射单元进行耦合馈电。本发明用多层金属化结构天线实现了水平极化和辐射方向图高度对称平滑。

附图说明

图1为3D金属化车载毫米波雷达天线。

图2为辐射层平面图。

图3为辐射层短边中轴线沿厚度方向截面图。

图4为耦合层上波导单元的立体图。

图5为波导层平面图。

图6为波导层的立体透视图。

图7为馈电层平面图。

图8为3D金属化车载毫米波雷达天线的S11仿真曲线图。

图9为 3D金属化车载毫米波雷达天线在78.5GHz频点处的仿真辐射方向图。

其中，1-辐射层，11辐射单元，12-辐射层短边，13-辐射单元短边，14-辐射单元长底边，15-辐射单元短底边，2-耦合层，21-波导单元，22-第一矩形波导，23-第二矩形波导，24-第一矩形波导长边，25-第一矩形波导短边，3-波导层，31-矩形槽，32-谐振腔，33-矩形枝节，34-单腔，35-矩形单元,36-谐振腔长边，4-馈电层，41-矩形波导。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明的一种3D金属化车载毫米波雷达天线，车载毫米波雷达及汽车，作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提出的一种3D金属化车载毫米波雷达天线，包括从上到下依次排列的辐射层1，耦合层2，波导层3和馈电层4，各相邻层之间无缝贴合。

所述车载毫米波雷达天线可采用一体化成型工艺进行制作，所述辐射层1，耦合层2，波导层3和馈电层4均为矩形金属结构层或者塑胶成形后表面金属化结构。

如图2所示，所述辐射层1设置N个沿辐射层1的长边方向线性分布的辐射单元11,N≥2。

所述辐射单元11为从所述辐射层1一面穿至另一面的通心结构，所述通心结构为长方体结构或四棱台结构；所述空心波导四棱台结构从所述辐射层1短边12中轴线沿厚度方向截面为梯形，所述梯形的长底边14所在的矩形面与所述辐射层1背离耦合层2一面的表面齐平；所述梯形的短底边15所在的矩形面与所述辐射层1朝向耦合层2一面的表面齐平。

优选的，设置所述辐射单元11的数量为8个，数量可以根据需要设置，不限于此。

所述耦合层2在朝向辐射层1一面且与各辐射单元11相对应位置处设有波导单元21。

如图4所示，所述波导单元21，包括相互配合成T字形的第一矩形波导22和第二矩形波导23；所述第一矩形波导22为在所述耦合层2表面开设的横向矩形凹槽；每一所述第一矩形波导22的矩形凹槽长边24相等，短边25为由中间向两边的矩形凹槽依次减小；中间的矩形凹槽短边25不超过所述辐射单元11的短边13的长度；所述第二矩形波导23为从所述矩形凹槽长边24的中间位置处朝向耦合层2另一面开设矩形通槽穿透耦合层2所有第二矩形波导23的尺寸相等，其短边小于所述第一矩形波导22的最小短边尺寸。

优选的，中间的第一矩形波导22的短边25和所述辐射单元11的短边13的长度相等。

其中，任2个相邻辐射单元11中心至中心的距离等于相邻第一矩形波导22中心至中心的距离，且均等于半个波导波长。

如图5和图6所示，所述波导层3在朝向馈电层4一面向内设有谐振腔32，所述谐振腔32为不规则长条形；在朝向耦合层2一面向内设有矩形槽31，所述矩形槽31与所述波导单元21中心对齐，与谐振腔32的长边36基本平行，且与所述谐振腔32形成通心结构。

优选的，设置所述矩形槽31的数量为8个，矩形槽31的宽度同为0.2-1mm，高为0.1-1mm，长度为1.5-2.2mm；设置所述谐振腔32为空心波导腔，总长度为18-23mm，高为0.5-1mm，宽为3.5-4.5mm；所述矩形槽31与所述谐振腔32的高度之和等于所述波导层3的高度。

所述谐振腔32由N个相互交错排布的单腔34组成，所述单腔34为一凸形，且相邻单腔34相互沿反向凸出分布；同一朝向的凸形位于同一水平或竖直线上，且相邻凸形中的一凸形的凸出面高于另一凸形的凸出面对应的底平面。

其中，位于所述谐振腔32两侧的单腔34的底平面在靠近所述谐振腔32两个短边的一侧分别设有一矩形单元35，所述矩形单元35高于底平面。

优选的，所述单腔34的长度为2.3-2.8mm。

在所述底平面且靠近相邻单腔34侧所对应的内角处开设矩形枝节33，所述矩形枝节33朝向所述矩形槽31，且矩形枝节33短边中轴线所在的延长线与所述矩形槽31所在水平或竖直线成45°角，用于调节匹配和功率分配。

其中，所述内角是凸形单腔34底平面的两个角，所述矩形枝节33是在内角与其邻补角的中间处朝向所述矩形槽31开设，并与所述谐振腔32的凸出面呈45°角

将矩形槽31所在线两侧相对位置的所述矩形枝节33两两分组，共N-1组，每组矩形枝节33将单腔34隔离开，所述矩形槽31分布于所述单腔34中心位置处。

优选的，所述波导层3实现了功率的一分八，当波导层由矩形波导从底部中心馈电时，谐振腔32的交错排布，保证了沿轴线分布的8个矩形槽31的磁流方向一致；再通过对谐振腔32和矩形枝节33的尺寸优化，使矩形槽31上的电流分布接近切比雪夫加权分布。

如图7所示，所述馈电层4在朝向波导层3一面的中心位置处设有矩形波导41，在与所述馈电层4背离波导层3一面齐平的矩形波导41面设有波端口馈电，所述矩形波导41用于向波导层3馈电，所述波导层3通过耦合层2对辐射层1的辐射单元进行耦合馈电。

优选的，馈电层采用波端口馈电的方式，矩形波导41的横截面长度为3.26mm，宽度为1.05mm，矩形波导41满足在76-81GHz频段内单模传输条件时，其横截面尺寸均可；所述波端口设置在矩形波导41内且与所述馈电层4背离波导层3一面齐平的位置，或者设置在矩形波导41与所述馈电层4背离波导层3一面上，且略高于所述馈电层4。

作为另一优选的，本发明还提供一种车载毫米波雷达，所述车载毫米波雷达为如上所述中任一项所述的3D金属化车载毫米波雷达天线。

作为另一优选的，本发明还提供一种汽车，包括如上所述的车载毫米波雷达，所述车载毫米波雷达安装于汽车中的任意处。

终上所述，本发明通过设置多层对称的金属化天线结构和从下到上的馈电方式，实现了水平极化，及水平极化下的辐射方向图高度对称和光滑，并且本发明所述的3D金属化车载毫米波雷达天线具有宽频带、高增益、宽波束以及低副瓣等优异性能。

为了进一步举例说明上述3D金属化车载毫米波雷达天线的有效性，对本发明所述的3D金属化车载毫米波雷达天线进行仿真计算，得到了3D金属化车载毫米波雷达天线的S11仿真曲线图和其在78.5GHz频点处的仿真辐射方向图。

在图8中，给出了3D金属化车载毫米波雷达天线的S11仿真曲线图，得到本发明所述天线在-10dB的阻抗带宽为75.19GHz-81.29GHz，可见3D金属化车载毫米波雷达天线能达到宽频带的效果，相比于现有技术中，在频带宽度上更优化。

在图9中，给出了3D金属化车载毫米波雷达天线在78.5GHz频点处的E面和H面的仿真辐射方向图，实现和虚线分别代表了H面和E面的方向图，由图9可知，天线增益为15.5dB，H面显示的3dB波束宽度为12.2°，E面显示的3dB波束宽度为124°，副瓣电频低于-29dB，可见3D金属化车载毫米波雷达天线能达到高增益，宽波束以及低副瓣的效果，相比于现有技术中，在增益，波束宽度和副瓣电频上更优化。

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本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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种3D金属化车载毫米波雷达天线，其特征在于，包括从上到下依次排列的辐射层（1），耦合层（2），波导层（3）和馈电层（4），各相邻层之间无缝贴合；

所述辐射层（1）设置N个沿辐射层（1）的长边方向线性分布的辐射单元（11）,N≥2；

所述耦合层（2）在朝向辐射层（1）一面且与各辐射单元（11）相对应位置处设有波导单元（21）；

所述波导层（3）在朝向馈电层（4）一面向内设有谐振腔（32），所述谐振腔（32）为不规则长条形；在朝向耦合层（2）一面向内设有矩形槽（31），所述矩形槽（31）与所述波导单元（21）中心对齐，与谐振腔（32）的长边（36）基本平行，且与所述谐振腔（32）形成通心结构；

所述馈电层（4）在朝向波导层（3）一面的中心位置处设有矩形波导（41），所述矩形波导（41）用于向波导层（3）馈电，所述波导层（3）通过耦合层（2）对辐射层（1）的辐射单元进行耦合馈电。

2.根据权利要求1所述的3D金属化车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述车载毫米波雷达天线可采用一体化成型工艺进行制作，所述辐射层（1），耦合层（2），波导层（3）和馈电层（4）均为金属化结构或者塑胶成形后表面金属化结构。

3.根据权利要求2所述的3D金属化车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述辐射单元（11）为从所述辐射层（1）一面穿至另一面的通心结构，所述通心结构为长方体结构或四棱台结构；

所述四棱台结构从辐射层短边（12）中轴线沿厚度方向截面为梯形，所述梯形的长底边（14）所在的矩形面与所述辐射层（1）背离耦合层（2）一面的表面齐平；所述梯形的短底边（15）所在的矩形面与所述辐射层（1）朝向耦合层（2）一面的表面齐平。

4.根据权利要求3所述的3D金属化车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述波导单元（21），包括相互配合成T字形的第一矩形波导（22）和第二矩形波导（23）；所述第一矩形波导（22）为在所述耦合层（2）表面开设的矩形凹槽；每一所述第一矩形波导（22）的矩形凹槽长边（24）相等，第一矩形波导短边（25）为由中间向两边的矩形凹槽依次减小；中间的矩形凹槽的第一矩形波导短边（25）不超过所述辐射单元短边（13）的长度；

所述第二矩形波导（23）为从所述矩形凹槽长边（24）的中间位置处朝向耦合层（2）另一面开设矩形通槽穿透耦合层（2）；所有第二矩形波导（23）的尺寸相等，其短边小于所述第一矩形波导（22）的最小短边尺寸。

5.根据权利要求4所述的3D金属化车载毫米波雷达天线，其特征在于，任2个相邻辐射单元（11）之间的距离等于相邻第一矩形波导（22）之间的距离，且均等于半个波导波长。

6.根据权利要求5所述的3D金属化车载毫米波雷达天线，其特征在于，所述谐振腔（32）由N个相互交错排布的单腔（34）组成，所述单腔（34）为一凸形，且相邻单腔（34）相互沿反向凸出分布；同一朝向的凸形位于同一水平或竖直线上，且相邻凸形中的一凸形的凸出面高于另一凸形的凸出面对应的底平面。

7.根据权利要求6所述的3D金属化车载毫米波雷达天线，其特征在于，在所述底平面且靠近相邻单腔（34）侧所对应的内角处开设矩形枝节（33），所述矩形枝节（33）朝向所述矩形槽（31），且矩形枝节（33）短边中轴线所在的延长线与所述矩形槽（31）所在水平或竖直线成45°角，用于调节匹配和功率分配。

8.根据权利要求7所述的3D金属化车载毫米波雷达天线，其特征在于，将矩形槽（31）所在线两侧相对位置的所述矩形枝节（33）两两分组，共N-1组，每组矩形枝节（33）将单腔（34）隔离开，所述矩形槽（31）分布于所述单腔（34）中心位置处。

9.一种车载毫米波雷达，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的3D金属化车载毫米波雷达天线。

10.一种汽车，其特征在于，包括如权利要求9所述的车载毫米波雷达，所述车载毫米波雷达安装于汽车中的任意处。