一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置

本发明属于调频连续波雷达，涉及一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置。

背景技术：

1、随着射频微波技术朝着集成化和多功能化方向飞速发展，雷达被广泛应用于室内检测、工业液位、汽车辅助驾驶等领域。调频连续波雷达因具有高分辨率、抗干扰能力强等优势，成为雷达领域的研究热点之一。天线作为辐射和接收无线信号的装置，位于雷达系统的最前端，其性能优劣直接影响系统整体性能。微带天线具有低剖面、易集成、低成本、增益易调等优点，被广泛地应用于雷达系统中。目前，大多数阵列天线通过天线单元尺寸和端口阻抗设计抑制副瓣电平。由于天线单元增益较低，需要设计更多的天线单元来提高增益，会增加馈电网络的复杂度，不利于实现雷达的小型化、简易化。因此，提出一种基于串联馈电低副瓣天线阵列设计，并通过设计硬件电路构成能够输出中频信号的毫米波雷达系统，具有一定的学术价值和工程意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，通过设计馈线结构抑制天线阵列辐射方向图的副瓣电平，计算天线间距提升隔离度和测量精度，设计阻抗变换段调整天线单元的输入阻抗，设计硬件电路实现三角波调制、射频信号收发、中频信号处理。该雷达提供了一种新型天线设计思路，同时简化了雷达硬件设计，为用于各种场景的雷达设计提供了可行方案。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，该雷达系统包括收发天线、三角波调制发生电路、射频收发电路、中频信号输出电路、介质基板、金属地板；

4、所述的射频收发电路的射频信号收发微带结构与收发天线的馈电端口连接，三角波调制发生电路输出电压端口与射频收发电路电压输入端口连接、射频收发电路的中频输出端口与中频信号输出电路的输入端口连接。

5、进一步，所述的收发天线包括1个发射天线和2个接收天线，每个天线包括天线单元、主馈线和阻抗变换段，8个相同尺寸的矩形贴片与四种不同阻抗的阻抗变换段按照60ω、73ω、90ω、110ω、110ω、90ω、73ω、60ω的方式排列组成一个天线子阵列，天线单元间的中心间距设置一个介质波长，通过馈电结构连接两个对称分布的天线子阵列构成一个天线。

6、所述的三角波调制发生电路包括icl8038芯片及外围电路构成的三角波发生电路和ua741cp芯片及外围电路构成的幅度调整电路，三角波产生电路的三角波输出与幅度调整电路输入连接，其目的在于将icl8038芯片输出的三角波信号通过幅度调整至压控振荡器所需要的幅度值。

7、所述的射频收发电路包括bgt24mtr12芯片、输入输出阻抗匹配网络、信号合成网络，其目的在于消除端口上能量的反射损耗，发射调频连续波，将差分信号合成单端信号，该芯片提供2路中频输出通道，每路中频信号包括2对正交信号。

8、所述中频信号输出电路共有4路结构相同的电路，包括高通滤波结构和ina849dr芯片及外围电路构成的增益可调放大电路，其目的在于合成正交信号、滤除直流信号，降低调制信号的泄露，并对中频信号进行放大。

9、所述的介质基板包括第一层的收发天线的介质基板和第二层电路的介质基板，收发天线和电路的介质基板均选用罗杰斯4350b，收发天线设置于所述介质基板的一个表面，金属地设置在两层介质基板之间，电路设置在第二层介质基板的另一个表面，两层介质基板的厚度均选定为0.254mm，相对介电常数为3.66。

10、本发明的有益效果在于：

11、(1)本发明的阻抗变换段的引入可以简化不同输入阻抗天线单元的设计。天线单元尺寸不变的方式保证天线整体的辐射性能，频率范围覆盖24ghz～24.25ghz，并在频率范围内具有良好的阻抗匹配性能。

12、(2)本发明的收发天线阵列电流满足切比雪夫分布，其阵元间距采用一个介质波长，使得天线辐射方向图的副瓣电平得到有效抑制，h面主瓣的半功率波束宽度小于15°，副瓣电平为-23.6db。

13、(3)本发明的收发天线阵列采用微带贴片天线阵列形式，减小了天线的整体尺寸，设计天线间距，端口隔离度小于-25db，接收天线间信号相位差控制在0～2π，能准确提取目标角度信息。

14、(4)本发明使用硬件电路直接实现三角波调制信号的产生，可根据压控振荡器对调制信号幅度的要求，使用运算放大器调整调制信号的幅度，简化调制信号产生方式。

15、(5)本发明使用放大滤波结构将正交信号合成单端信号，减弱调制信号泄露的影响，提高中频信号的强度，便于中频信号的采集与处理。

16、(6)本发明可将雷达前端硬件电路和收发天线集成在同一种介质基板上，具有尺寸小、成本低、应用性广的优点。

17、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。

技术特征：

1.一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，其特征在于，包括收发天线、三角波调制发生电路、射频收发电路、中频信号输出电路、介质基板、金属地板；

2.根据权利要求1所述的一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，其特征在于，所述的收发天线包括1个发射天线和2个接收天线，每个天线包括矩形贴片、馈电结构和阻抗变换段。8个相同尺寸的矩形贴片与四种不同阻抗的阻抗变换段按照60ω、73ω、90ω、110ω、110ω、90ω、73ω、60ω的方式排列组成一个天线子阵列，矩形贴片中心间距选为一个介质波长，通过馈电结构连接两个对称分布的天线子阵列构成一个收发天线。

3.根据权利要求1所述的一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，其特征在于，馈线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。天线单元尺寸不变的方式保证天线整体的辐射性能，频率范围覆盖24ghz～24.25ghz，频率范围内具有良好的阻抗匹配性能；

4.根据权利要求1所述的一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，其特征在于，三角波调制发生电路包括icl8038芯片及外围电路构成的三角波发生电路和ua741cp芯片及外围电路构成的幅度调整电路，三角波发生电路的输出与幅度调整电路输入连接，其目的在于将icl8038芯片输出的三角波信号通过幅度调整至压控振荡器所需要的幅度值。

5.根据权利要求1所述的一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，其特征在于，射频收发电路包括bgt24mtr12芯片、输入输出阻抗匹配网络、信号合成网络，其目的在于发射调频连续波，消除端口上能量的反射损耗，差分信号合成单端信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，其特征在于，中频信号输出电路包括高通滤波结构和ina849dr芯片及由外围电路构成的增益可调放大电路。

7.根据权利要求1所述的一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，其特征在于，硬件电路直接实现三角波调制信号的产生，并根据压控振荡器对调制信号幅度的要求使用运算放大器实现了调制信号幅度的调整，简化调制信号生成方式；

8.根据权利要求1所述的一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，其特征在于，介质基板包括第一层的收发天线的介质基板和第二层电路的介质基板，收发天线和电路的介质基板均选用罗杰斯4350b，收发天线设置于所述介质基板的一个表面，金属地设置在两层介质基板之间，电路设置在第二层介质基板的另一个表面，两层介质基板的厚度均选定为0.254mm，相对介电常数为3.66。

技术总结
本发明涉及一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，属于调频连续波雷达技术领域。该雷达收发天线系统包括一个发射天线和两个接收天线；天线阵列由16个矩形微带贴片单元、调节阵列输入阻抗的阻抗匹配段和微带馈电网络构成。射频前端电路结构包括三角波调制发生电路、射频收发电路、中频信号输出电路。本发明降低了天线馈电网络的复杂度，减小了天线尺寸，提高了天线增益，降低了天线方向图的副瓣电平，并通过硬件电路实现雷达射频信号产生、接收以及中频信号的输出，具有成本低、适用性广的特点。

技术研发人员：王斌,李文博,李铮,邓燕,彭海英
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13