一种用于雷达传感器的天线装置的制作方法

本发明涉及毫米波雷达技术领域，尤其涉及一种毫米波雷达中用于雷达传感器的天线装置。

背景技术：

毫米波雷达发射的电磁波长通常为几毫米，对于相同口径的天线尺寸，毫米波天线的波束更窄，增益更高，并且它具有更高的测角和测距精度，因此广泛应用于各个领域中，典型的应用领域如汽车主动安全以及区域安全防护等。毫米波雷达是通过发射天线来发射高频电磁波，再通过接收天线接收目标的回波信号，进而通过混频、零中频放大、中频放大、ad采样、信号处理等电路输出目标的信息。采用调频连续波体制的单发单收毫米波雷达能够获取目标的速度信息，采用多收天线则还能获取目标的角度信息。

雷达传感器作为毫米波雷达的主要部件，是通过天线的辐射来覆盖待防护的区域。表征天线的辐射特性的一个重要参数是天线的辐射方向图，辐射方向图的主波束即为波束，发射天线和接收天线的波束则决定了雷达传感器的探测区域。毫米波雷达传感器在实际应用中，如应用于区域周界防护，通常要求发射天线具有窄波束和高增益的辐射特性。现有的毫米波雷达天线中，发射天线和接收天线通常是采用单一的馈电方式，发射天线和接收天线的馈电点位于射频电路板中心线的两侧，再由发射天线、接收天线的馈电点直接通过馈电传输结构传输至射频电路的两个馈电口。但是上述毫米波雷达天线中，发射天线、接收天线的馈电点与射频电路的两个馈电口之间通常距离较远，直接从发射天线、接收天线传输到达射频处理电路时将使得馈电传输线过长，造成天线装置中传输线布线复杂，进而会使得整个电路板的体积大、结构不紧凑，同时也增大了毫米波雷达传感器的成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、馈电传输布线简单以及装置所需成本低、体积小的用于雷达传感器的天线装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于雷达传感器的天线装置，包括印刷电路板，所述印刷电路板的底层板上布置有一组以上的天线单元，每组所述天线单元包括接收天线、发射天线，所述印刷电路板的顶层板上布置有射频电路，每组所述天线单元分别布置于所述底层板的两侧，所述底层板上还设置有馈电传输单元，所述馈电传输单元将所述天线单元的馈电点在所述底层板上向所述射频电路所在区域方向延伸至目标馈电点的位置，由目标馈电点过孔延伸至所述顶层板后与所述射频电路连接。

作为本发明的进一步改进：每组所述天线单元分别对应为由端馈天线构成的端馈天线单元、由中馈天线构成的中馈天线单元，所述端馈天线单元的馈电点连接所述馈电传输单元，所述中馈天线单元的馈电点过孔延伸至所述顶层板后与所述射频电路连接。

作为本发明的进一步改进：所述馈电传输单元的传输终端所在位置为将目标馈电点过孔延伸至所述顶层板时，能够处于所述射频电路所在的指定区域内。

作为本发明的进一步改进：所述端馈天线单元包括多个并联连接的端馈阵列天线，所述中馈天线单元包括多个并联连接的中馈阵列天线。

作为本发明的进一步改进：所述中馈天线单元与所述射频电路布置在所述印刷电路板的同侧。

作为本发明的进一步改进：所述中馈天线单元所在的位置为将所述中馈天线单元的馈电点过孔延伸至所述顶层板时，能够处于所述射频电路所在的指定区域内。

作为本发明的进一步改进：所述端馈天线单元包括水平方向的第一主馈电网络、多个具有相同结构且为垂直方向的第一分馈电网络，所述第一主馈电网络的左、右部分相对于端部馈电点对称，所述第一分馈电网络中上部分的微带天线阵元与下部分的微带天线阵元对称。

作为本发明的进一步改进：所述中馈天线单元包括水平方向的第二主馈电网络、多个具有相同结构且为垂直方向的第二分馈电网络，所述第二主馈电网络的左右部分、上下部分分别相对于中部馈电点对称，所述第二分馈电网络中上部分的微带天线阵元与下部分的微带天线阵元对称且相位相反，所述第二分馈电网络中上部分的馈入处还设置有传输线，以保持所述第二分馈电网络的上部分与下部分同相馈电。

作为本发明的进一步改进：所述馈电传输单元为馈电传输线。

作为本发明的进一步改进：所述底层板上还设置有高频基板，所述天线单元、馈电传输单元印刷在所述高频基板上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明用于雷达传感器的天线装置，每组天线单元分别布置于印刷电路板的两侧，能够增加高频收发电路间的隔离度，进而提高雷达传感器的探测灵敏度，同时通过馈电传输单元将天线单元的馈电点先在底层板上向射频电路所在区域方向延伸，使得延伸后的目标馈电点能够靠近射频电路，再从目标馈电点直接过孔延伸至顶层板后与射频电路连接，能够缩短天线装置中底层天线单元至顶层射频电路之间的传输线，同时使得传输布线简单，有效减小装置的体积以及减少装置所需成本；

2）本发明用于雷达传感器的天线装置，进一步通过使得发射天线、接收天线采用不同的馈电方式，相比于传统的天线装置采用单一的馈电方式，能够增加天线装置的灵活性，提高系统资源利用率；同时对于端馈天线单元，通过连接馈电传输单元将端馈天线单元的馈电点在底层板上向射频电路所在区域方向延伸至目标馈电点，从目标馈电点直接过孔延伸至顶层板，对于中馈天线单元，则直接将馈电点过孔延伸至顶层板，结合不同馈电方式能够缩短天线单元至射频电路之间的传输线，使得传输布线简单；

3）本发明用于雷达传感器的天线装置，每组天线单元采用端馈天线单元、中馈天线单元的基础上，端馈天线单元通过馈电传输单元将馈电点向射频电路方向延伸，中馈天线单元与射频电路布置在同一侧，并同时使馈电传输单元传输终端的目标馈电点、中馈天线单元的馈电点的位置为孔延伸至顶层板后处于射频电路所在的指定区域内，能够最大限度的缩短从底层的天线单元至顶层的射频电路之间的传输线长度，大大降低天线装置传输布线的复杂度，使得天线装置的结构紧凑。

附图说明

图1是本实施例用于雷达传感器的天线装置的结构原理示意图。

图2是本实施例中天线单元的具体结构示意图。

图3是本实施例中端馈天线单元的俯仰面馈电网络结构示意图。

图4是本实施例中端馈天线单元的方位面馈电网络结构示意图。

图5是本实施例中中馈天线单元的俯仰面馈电网络结构示意图。

图6是本实施例中中馈天线单元的方位面馈电网络结构示意图。。

图7是本实施例中端馈天线单元的辐射方向图结果示意图。

图8是本实施例中中馈天线单元的辐射方向图结果示意图。

图例说明：1、底层板；11、天线单元；111、端馈天线单元；112、中馈天线单元；12、馈电传输单元；2、顶层板；21、射频电路。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1、2所示，本实施例用于雷达传感器的天线装置包括印刷电路板，印刷电路板的底层板1布置有一组以上的天线单元11，每组天线单元11包括接收天线、发射天线，印刷电路板的顶层板2布置有用于处理高频信号的射频电路21，顶层板2上具体还设置有信号处理电路等，每组天线单元11分别布置于印刷电路板的两侧，底层板1上还设置有馈电传输单元12，馈电传输单元12将天线单元11的馈电点在底层板1上向射频电路21所在区域方向延伸至目标馈电点的位置，由目标馈电点过孔延伸至顶层板2后与射频电路21连接。

本实施例每组天线单元11分别布置于印刷电路板的两侧，即发射天线、接收天线以一定间隔分布在高频印制板中心线两侧，能够增加高频收发电路间的隔离度，进而提高雷达传感器的探测灵敏度，同时通过馈电传输单元12将天线单元11的馈电点先在底层板1上向射频电路21所在区域方向延伸，使得延伸后的目标馈电点能够靠近射频电路21，再从目标馈电点直接过孔延伸至顶层板2后与射频电路21连接，能够缩短天线装置中底层天线单元11至顶层射频电路21之间的传输线，同时使得传输布线简单，有效减小装置的体积以及减少装置所需成本。

如图1所示，本实施例每组天线单元11具体分别对应为由端馈天线构成的端馈天线单元111、由中馈天线构成的中馈天线单元112，端馈天线单元111具有端部馈电点（第一馈电点），中馈天线单元112具有中部馈电点（第二馈电点），端馈天线单元111、中馈天线单元112均印刷在高频印制板的底层板1上，其中端馈天线单元111包括多个并联连接的端馈阵列天线，用来辐射高频发射信号，即为发射天线，中馈天线单元112包括多个并联连接的中馈阵列天线，用来接收在目标上所反射的回波信号，即为接收天线。每组天线单元11中发射天线、接收天线具体可根据实际需求设置一个为端馈馈电方式的天线，另一个为中馈馈电方式的天线。发射天线、接收天线采用不同的馈电方式，相比于传统的天线装置采用单一的馈电方式，能够增加天线装置的灵活性，提高系统资源利用率。

本实施例中，具体由端馈天线单元111的馈电点连接馈电传输单元12，其中馈电传输单元12的起始端连接端馈天线单元111的馈电点，传输终端为目标馈电点的位置，使得通过馈电传输单元12将端馈天线单元111的端部馈电点（第一馈电点）在底层板1上向射频电路21所在区域方向延伸至目标馈电点（第三馈电点）的位置，由第三馈电点过孔延伸至顶层板2后与射频电路21连接；中馈天线单元112的中部馈电点（第二馈电点）直接过孔延伸至顶层板2后与射频电路21连接。

本实施例中，馈电传输单元12为馈电传输线，即将天线单元11的馈电点先经过一段馈电传输线后传输过渡到目标馈电点的位置，再由目标馈电点直接过孔延伸至顶层板2后连接至射频电路21的馈电点。参见图1，端馈天线单元111的第一馈电点和中馈天线单元112的第二馈电点布局在印刷电路板（pcb印制板）的底层板1的两侧，处理雷达高频信号的射频电路21布局在pcb印制板顶层板2的右下角区域，第一馈电点若直接通过金属化过孔到高频印制板射频电路所在的顶层板2，则需要再经过一段很长的传输线连接到射频电路21的馈电点，会造成印制板背面传输线走线复杂，甚至干扰整个印制板电路布局，使得天线结构不紧凑。本实施例通过在底层板1上设置馈电传输单元12，由馈电传输单元12将端馈天线单元111的第一馈电点馈电传输过渡到底层板1的第三馈电点处，进而再过孔到顶层板2后连接至射频电路21的馈电点，使得端馈天线单元111的馈电口与射频电路21之间的馈电传输布线简单，进而使得天线装置的结构紧凑。

本实施例每组天线单元11分别对应为端馈天线单元111、中馈天线单元112，使得发射天线、接收天线采用不同的馈电方式，同时对于端馈天线单元111，通过连接馈电传输单元12将端馈天线单元111的第一馈电点在底层板1上向射频电路21所在区域方向延伸至第三馈电点，从第三馈电点直接过孔延伸至顶层板2，对于中馈天线单元112，则直接将馈电点过孔延伸至顶层板2，结合不同馈电方式能够缩短天线单元11至射频电路21之间的传输线，使得传输布线简单。

本实施例中，馈电传输单元12的传输终端所在位置为将目标馈电点过孔延伸至顶层板2时，能够处于射频电路21所在的指定区域内，目标馈电点具体通过金属化过孔延伸至顶层板2。如图1所示，本实施例馈电传输单元12的传输终端所在位置，即为第三馈电点的位置，第三馈电点过孔延伸至顶层板2后处于射频电路21所在的指定区域a内，其中区域a为以射频电路21位置为中心的矩形区域，从而从第三馈电点可方便传输布线至射频电路21，缩短传输线长度。区域a大小及结构可根据实际需求设定。

本实施例中，中馈天线单元112与射频电路21布置在印刷电路板的同侧，使得从中馈天线单元112至射频电路21之间的传输距离短，便于实现布线，结合上述端馈天线单元111通过馈电传输单元12延伸至第三馈电点后，由第三馈电点延伸至顶层板2与射频电路21连接，能够使得天线装置的整体传输线短、传输布线简单。

本实施例中，中馈天线单元112所在的位置为将中馈天线单元112的馈电点通过过孔延伸至顶层板2时，能够处于射频电路21所在的指定区域内，中馈天线单元112的馈电点具体直接通过金属化过孔延伸至顶层板2后与射频电路21连接。如图1所示，本实施例中馈天线单元112的馈电点（第二馈电点），过孔延伸至顶层板2后处于射频电路21所在的指定区域a内，其中区域a为以射频电路21位置为中心的矩形区域，从而从第二馈电点可方便传输布线至射频电路21，缩短传输线长度。

采用上述结构，每组天线单元11分别对应为端馈天线单元111、中馈天线单元112，端馈天线单元111通过馈电传输单元12将馈电点向射频电路21方向延伸，中馈天线单元112与射频电路21布置在同一侧，并同时使馈电传输单元12传输终端的目标馈电点、中馈天线单元112的馈电点的位置为孔延伸至顶层板2后处于射频电路21所在的指定区域内，能够最大限度的缩短从底层的天线单元11至顶层的射频电路21之间的传输线长度，大大降低传输布线复杂度，从而使得天线装置结构紧凑，减小天线装置体积及所需成本。

本实施例中，每组天线单元11中天线具体均为阵列天线，阵列天线可以为贴片天线阵列天线或缝隙天线阵列等，阵列天线均与微带线馈电网络相连并进行阻抗匹配，天线阵元的极化方式具体可以为斜极化、水平极化、垂直极化或者圆极化等；辐射体的波束具体为窄波束，波束具体设定为在方位面内的半功率波瓣宽度小于第一预设阈值（本实施例具体取20度），波束在俯仰面内的半功率波瓣宽度小于第二预设阈值（本实施例具体取15度），使得在获得较高天线增益的同时还能使得雷达探测宽度在距雷达较远位置时不至于扩散的太宽，能够满足区域周界防护等所需的窄波束、高增益的应用需求。

本实施例中，每组天线单元1的波束均为辐射方向图的主波束，除主波束外的其他波束为副瓣，具体设定副瓣电平在俯仰面和方位面内均比主波束的最大电平小第三预设阈值（本实施例具体取18db）以上，以极大的减少来自主波束外其他目标的干扰。

如图2、3、4所示，本实施例中端馈天线单元111包括水平方向的第一主馈电网络a11、多个具有相同结构且为垂直方向的第一分馈电网络a12，第一主馈电网络a11的左、右部分相对于端部馈电点（第一馈电点）对称，第一分馈电网络中上部分的微带天线阵元与下部分的微带天线阵元对称。本实施例具体包括1个水平方向的第一主馈电网络a11和5个垂直方向具有相同结构的第二分馈电网络a12，由于天线阵列采用端馈馈电方式，第一主馈电网络a11关于第一馈电点左右对称；微带天线阵元的辐射性能好、剖面及成本低，且易与高频信号处理电路集成，本实施例端馈天线单元111具体包含40个微带天线阵元，各个微带天线阵元通过微带线进行相互连接，并最终与第一主馈电网络a11相连，从端馈天线单元111的馈电点馈入的能量按计算好的比例分配到40个微带天线阵元上，并以水平极化方式辐射出去，水平面的方向图主要由第一主馈电网络a11的分配比决定，垂直面的方向图则主要由第一分馈电网络a12的分配比决定，本实施例中两个面上的副瓣电平均取为-20db。端馈天线单元111的矩形阵列结构中微带天线阵元个数具体还可以根据雷达的主瓣宽度以及增益等参数进行设定。

如图3所示，以第一主馈电网络a11的左半部分a21为例对第一主馈电网络a11进行具体说明，a21通过阻抗变换线a2121~a2124将第一馈电点的能量按指定比例且同相地分配到a211~a213分馈电网络中，同时在第一馈电点进入第一主馈电网络a11之前进行了一段阻抗匹配，保持第一馈电点处输入阻抗匹配为指定大小（本实施例具体取50欧姆），分配到3个分馈电网络的指定电流比例具体可根据副瓣电平（本实施例具体取-20db）按照泰勒公式进行计算得到，从左到右的分馈电网络的分配比具体为0.54：0.83：1。

如图4所示，本实施例第一分馈电网络a12具体共有8个微带天线阵元以及阻抗变换线，其中各天线阵元串联连接且上下对称，天线阵元既是辐射阵元同时又是阻抗变换线，使得既能够辐射电磁波能量又能够起阻抗匹配作用。以第一分馈电网络a12的下半部分a13为例，a13通过阻抗变换线a121-a124把从第一主馈电网络a11的阵列端口输入的能量按指定比例且同相的分配到4个天线阵元中，分配到4个天线阵元的指定电流比例具体可根据副瓣电平（本实施例具体取-20db）按照泰勒公式进行计算得到，从下到上的分馈电网络的分配比具体为0.54：0.67：0.86：1。

如图2、5、6所示，本实施例中馈天线单元112包括水平方向的第二主馈电网络b11、多个具有相同结构且为垂直方向的第二分馈电网络b12，第二主馈电网络b11的左右部分、上下部分分别相对于中部馈电点（第二馈电点）对称，第二分馈电网络b12中上部分的微带天线阵元与下部分的微带天线阵元对称且相位相反，第二分馈电网络中上部分的馈入处还设置有传输线，以保持第二分馈电网络的上部分与下部分同相馈电。本实施例具体包括1个水平方向的主馈电网络b11和5个垂直方向具有相同结构的分馈电网络b12，由于天线阵列采用中馈馈电方式，主馈电网络b11关于第二馈电点上下、左右都对称，第二分馈电网络b12上下对称，同时第二分馈电网络b12的上、下两部分相位相反，且在上半部分的馈入处添加一段半导波长传输线，以保持上、下两部分天线阵元同相馈电；本实施例中馈天线单元112与端馈天线单元111一致，具体包含40个微带天线阵元，各个微带天线阵元通过微带线进行相互连接，并最终与第二主馈电网络b11相连，从中馈天线单元112的第二馈电点馈入的能量按计算好的比例分配到40个微带天线阵元上，并以水平极化方式辐射出去，水平面的方向图主要由第二主馈电网络b11的分配比决定，垂直面的方向图主要由第二分馈电网络b12的分配比决定，本实施例中两个面上的副瓣电平均取为-20db。中馈天线单元112的矩形阵列结构中微带天线阵元个数同样可以根据雷达的主瓣宽度以及增益等参数进行具体设定。

如图5所示，以第二主馈电网络b11的左半部分b21为例，b21通过阻抗变换线b2121-b2124将第二馈电点的能量按指定比例且同相地分配到3个分馈电网络中，且第二馈电点处的输入阻抗匹配为指定大小（本实施例具体取50欧姆），分配到3个分馈电网络的指定电流比例具体可根据副瓣电平（本实施例取-20db）按照泰勒公式进行计算得到，从左到右的分馈电网络的分配比具体为0.54：0.83：1。

如图6所示，本实施例第二分馈电网络b12具体共有8个微带天线阵元以及阻抗变换线，上部分4个天线阵元串联连接，下部分4个天线阵元串联连接，上、下部分的天线阵元并联连接且对称，天线阵元既是辐射阵元同时又是阻抗变换线，使得既能够辐射电磁波能量又能够起阻抗匹配作用。以第二分馈电网络b12的上半部分b13为例，b13通过阻抗变换线b121-b124把从第二主馈电网络b11的阵列端口输入的能量按指定比例且同相的分配到4个天线阵元中，分配到4个天线阵元的指定电流比例具体可根据副瓣电平（本实施例取-20db）按照泰勒公式进行计算得到，从下到上的分馈电网络的分配比具体为0.54：0.67：0.86：1。

如图7所示为本发明具体实施例中所得到的端馈天线单元111的辐射方向图，其中实线表示俯仰面的辐射方向图，虚线表示方位面的辐射方向图。由图中可知，采用本实施例上述结构的天线装置在俯仰面的辐射方向图的半功率波瓣宽度可达13.5º，副瓣电平小于-17db，方位面的辐射方向图的半功率波瓣宽度为20º，副瓣电平小于-23db。

如图8所示为本发明具体实施例中所得到的中馈天线单元112的辐射方向图，其中实线表示俯仰面的辐射方向图，虚线表示方位面的辐射方向图。由图中可知，采用本实施例上述结构的天线在俯仰面的辐射方向图的半功率波瓣宽度可达12.5º，副瓣电平小于-19.7db，方位面的辐射方向图的半功率波瓣宽度为19.7º，副瓣电平小于-19.2db。即采用本实施例上述天线装置，能够使得天线结构紧凑，传输布线简单，装置体积及成本小，同时能够保证天线具有窄波束、高增益以及副瓣电小，满足区域周界防护等的应用需求。

本实施例中，底层板1上还设置有高频基板，天线单元11、馈电传输单元12均印刷在高频基板上。

本实施例上述用于雷达传感器的天线装置适用于毫米波雷达传感器中，尤其适用于防碰撞的毫米波高度传感器中。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。