天线阵列及传感器设备的制作方法

天线阵列及传感器设备
【技术领域】
1.本技术涉及天线结构技术领域，尤其涉及一种天线阵列及传感器设备。


背景技术：

2.毫米波雷达是工作在毫米波波段的探测雷达。因其具有强穿透性，抗干扰能力强以及分辨率高等的特点而被广泛的应用于车辆碰撞预警、自动驾驶等的多个领域，用以实现对周边一定距离范围内的物体感知。
3.现有的毫米波雷达中所采用的天线波束形状基本为中间高两侧低矮的单个笔形波束。这样的波束形状虽然具有对前方较强的检测能力。但是，雷达对于两侧的检测能力较弱，在许多应用场景下无法很好的满足实际使用需要。
4.现有一些通过对多个笔形波束进行拼接，以更好的满足侧边检测能力要求的技术方案，但是这样多个笔形波束拼接的方式的实现成本过高。


技术实现要素：

5.本技术实施例旨在提供一种天线阵列及传感器设备，以克服现有技术中的至少一部分缺陷。
6.第一方面，本技术实施例提供一种天线阵列。该天线阵列包括：具有第一表面和第二表面的基板；所述第一表面与所述第二表面位于所述基板相反的两侧；布置于所述基板的第一表面的辐射部件；所述辐射部件包括若干个天线单元；布置于所述基板的第二表面的接地层。其中，所述天线单元包括：用于馈送电磁信号的传输线；所述传输线的一端形成输入端口；布置在所述传输线两侧的耦合辐射部；所述耦合辐射部与所述传输线之间具有预设的间隙，以形成与传输线之间的电磁耦合。
7.可选地，所述传输线为直线线段，所述耦合辐射部包括：布置在所述传输线左侧的若干个第一辐射片以及布置在所述传输线右侧的若干个第二辐射片；所述第一辐射片和所述第二辐射片沿所述传输线对称设置。
8.可选地，所述第一辐射片和所述第二辐射片的长度在第一数值范围内；相邻的所述第一辐射片以及所述第二辐射片之间的间距在第二数值范围内；
9.其中，所述第一数值范围是以波导波长的二分之一为基准，上下浮动允许误差而形成的数值范围；所述第二数值范围是以波导波长为基准，上下浮动允许误差而形成的数值范围。
10.可选地，所述第一辐射片和所述第二辐射片相对于所述传输线倾斜布置，具有预设的倾斜角度。
11.可选地，所述天线阵列包括两个或以上的天线单元；两个或以上的所述天线单元在所述基板的第一表面，沿与所述传输线垂直的方式间隔排列。
12.可选地，相邻两个所述天线单元之间的间距在第三数值范围之内；所述第三数值范围是以预设的标准间距为基准，上下浮动允许误差而形成的数值范围。
13.可选地，所述标准间距与相邻两个所述天线单元的波束夹角满足如下算式：theta＝2*arc sin(λ/(2*d))；其中，theta为波束夹角，d为标准间距，λ为波长。
14.可选地，所述天线单元还包括：位于与所述输入端口相离的另一端的第一匹配辐射部；所述第一匹配辐射部从所述传输线向外延伸形成，开设有一个或多个匹配开槽；以及从所述传输线向外延伸形成的第二匹配辐射部，所述第二匹配辐射部位于与所述输入端口接近的一端。
15.可选地，所述第一匹配辐射部为具有预设面积的矩形贴片，所述匹配开槽开设在所述传输线的两侧；所述第二辐射部为具有预设长度的枝节，从所述传输线的左侧或者右侧向外延伸形成。
16.可选地，每一个所述天线单元的输入端口与一个移相器连接。
17.可选地，所述移相器包括：0
°
相移的第一移相器以及180
°
相移的第二移相器；所述第一移相器和所述第二移相器间隔排列。
18.第二方面，本技术实施例还提供一种传感器设备。该传感器设备包括：如上所述的天线阵列以及经由信号通道传递电信号的控制器；所述天线阵列的移相器连接至所述信号通道进行馈电。
19.可选地，所述传感器设备还包括：功率分配器；所述功率分配器连接在所述天线阵列的所述移相器和所述信号通道之间，以使所述移相器通过所述功率分配器进行馈电。
20.本技术实施例提供的天线阵列的其中一个有利方面是：通过在传输线的两侧接入能够形成电磁耦合的耦合辐射部这样的特定的结构天线结构设计，形成了特定的锥形波束，能够在大角度形成较大增益的同时有效抑制了小角度的辐射，从而有效的提升了雷达侧边的检测距离并抑制了前方的干扰。
21.本技术实施例提供的传感器设备的其中一个有利方面是：应用具备上述特性的天线阵列设计，可以形成高增益的多波束天线阵列，从而提供了适用于多波束应用场景的低成本实现方案。
【附图说明】
22.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
23.图1为本技术实施例提供的天线阵列的结构示意图，示出了了天线阵列的横截面；
24.图2为本技术实施例提供的天线单元的结构示意图；
25.图3为本技术实施例提供的天线阵列的结构示意图，示出了6个天线单元组成的天线阵列；
26.图4为本技术实施例提供的传感器设备的功能框图；
27.图5为本技术实施例提供的天线单元的水平辐射方向图；
28.图6为本技术实施例提供的天线单元的s参数的示意图；
29.图7为本技术实施例提供的天线阵列的方向图，示出了相邻两个天线单元之间的间距为波长的75％时的方向图仿真结果。
【具体实施方式】
30.为了便于理解本技术，下面结合附图和具体实施例，对本技术进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本技术。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.此外，下面所描述的本技术不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
33.图1为本技术实施例提供的天线阵列的横截面结构示意图。请参阅图1，该天线阵列可以是主要由基板100、位于基板下表面的接地层200以及布置在基板上表面的辐射部件300所组成层叠式结构。
34.在本实施例中，为陈述方便而将基板100的上表面称为“第一表面”，同时将其背面称为“第二表面”。应当说明的是，该“第一”和“第二”仅用于区分基板100的正面和反面，不用于对具体表面进行限定。
35.其中，基板100可以是采用任何合适类型的介质(如塑料或者泡沫等)制备形成，具有特定形状和尺寸的非导电结构。其具体的形状尺寸可以根据实际使用的场景而决定。在本实施例中，使用“板”这样的术语来表示该层结构具有相对扁平形状的特点。
36.接地层200是位于基板100下表面的金属层。其具体可以根据实际情况的需要，而选择使用相应的导电材质、尺寸和形状。基板100具有合适的厚度，间隔在接地层200和辐射部件300之间。
37.辐射部件300是布置在基板上表面，由一种或者多种具有特定形状和长度的导体(如铜箔)。其可以通过任何合适的形式(如贴片式)固定在基板表面，能够将经由传输线馈电的电能转换为电磁辐射并以相应的频率辐射到空中。
38.在本实施例中，辐射部件300可以包含有多个规则排列的重复天线单元，以组成满足使用要求的天线阵列。这些天线单元可以具有相同的结构，并按照特定的布置方式规则排列以组成目标的阵列形态。
39.图2为本技术实施例提供的天线单元的结构示意图。请参阅图2，该天线单元主要包括：传输线310、输入端口320以及耦合辐射部330。
40.其中，传输线310是用于为天线馈送电磁信号的传输导线。其具体可以采用任何合适的形式实现，例如位于基板上表面，具有特定长度和宽度的微带线。在另一些实施例中，该传输线也可以被称作“馈线”。
41.输入端口320是位于传输线310的一端，供电磁信号馈入的输入端口。与传输线310
相类似地，该输入端口320也可以根据实际情况的需要而选择采用相应的具体结构形式，在本技术中不作具体限定，只需要其能够能够实现电磁信号馈入的功能即可。
42.耦合辐射部330是布置在传输线310两侧的辐射部件。其可以根据实际情况的需要而布置有合适的数量，例如图2所示的7对分别布置在传输线两侧的辐射部件。在本实施例中，耦合辐射部330与传输线310之间存在间隙，其采用一种被称为“电磁耦合馈电”的贴近馈电方式，即利用传输线310与耦合辐射部330之间的缝隙或者间隙来形成电磁耦合。
43.在一些实施例中，请继续参阅图2，该传输线310的形状可以是一段具有预设长度的直线线段。相应地，耦合辐射部330则包含布置在若干个布置在传输线310左侧的第一辐射片331以及布置在传输线310右侧的第二辐射片332。
44.其中，“辐射片”这样的术语来表示该耦合辐射部是具有特定尺寸面积，布置在基板表面的片状结构。其具体可以根据实际情况的需要而选择使用任何合适类型的形状和尺寸。例如，可以采用如图2所示的矩形贴片。
45.第一辐射片331和第二辐射片332之间采用对称的结构设置。每一对第一辐射片和第二辐射片之间沿传输线对称设置在传输线的两侧。
46.应当说明的是，该第一辐射片331和第二辐片332仅用于区分位于传输线不同两侧的耦合辐射部330，而不用于对其具体所布置的位置进行限定。在实际使用过程中，电磁信号可以经由输入端口320馈入，并经由传输线310通过电磁耦合馈电的方式，在第一/第二辐射片与传输线的缝隙位置馈入位置相同方向并且朝向相反的第一辐射片331和第二辐射片332。
47.在另一些实施例中，请继续参阅图2，第一辐射片331和第二辐射片332的长度l可以被设置为处于第一数值范围之内。而相邻的两个第一辐射片331或者第二辐射片332之间的距离d1则可以被设置为处于第二数值范围之内。
48.其中，第一数值范围是指：以天线的波导波长的二分之一为基准，上下浮动允许误差而形成的数值范围。第二数值范围是指：以波导波长为基准，上下浮动允许误差而形成的数值范围。
49.换言之，第一辐射片331和第二辐射片332的长度l大约与波导波长的二分之一相当。而相邻两个辐射片之间的间距d1则大约与波导波长相当。具体的允许误差值可以根据实际情况的需要而确定或者进行调整。
50.本技术实施例的其中一个有利方面是：通过对耦合辐射部330的具体结构布置方式进行调整，使其长度和间距处于合适的数值的情况下，能够确保位于传输线310两侧的多个第一辐射片331和第二辐射片332同向馈电。
51.应当说明的是，在本技术实施例公开的发明思路的基础上，上述第一辐射片331和第二辐射片332还可以进行调整、替换或者变形，而不限于图2所示。在一些可选的实施例中，该第一辐射片和第二辐射片还可以相对于传输线倾斜布置，与传输线之间形成一定的夹角。
52.除了布置在传输线两侧的耦合辐射部之外，在一些实施例中，上述天线单元还可以包括其他额外的功能部件以更好的提升天线的实际使用性能。
53.请继续参阅图2，该天线单元还可以包括：第一匹配辐射部340、第二匹配辐射部350以及匹配开槽360。
54.其中，该第一匹配辐射部340、第二匹配辐射部350以及匹配开槽360均是用于调整天线匹配的部分，在本实施例中为了体现这些部件的功能效果而采用“匹配辐射部”和“匹配开槽”这样的术语。
55.上述第一匹配辐射部340和第二匹配辐射部350是分别设置在传输线两端的辐射部件。其从传输线向外延伸形成，具体可以根据实际情况的需要而选择使用合适的尺寸或者结构。例如，该第一匹配辐射部340可以位于传输线的末端，呈一定面积的矩形贴片并与传输线连通。第二匹配辐射部350则可以是在接近传输线另一个末端的位置，从传输线向外伸出的，具有一定长度的枝节。
56.匹配开槽360是位于矩形贴片340和传输线310之间的开槽。其可以成对开设，分别位于传输线的两侧。第二匹配辐射部350则可以是在接近输入端口310的位置，从传输线的右侧伸出的枝节。
57.本技术实施例提供的匹配部件的其中一个有利方面是：能够通过上述的一个或者多个匹配部件来调整天线匹配，从而获得最佳的辐射增益。
58.应当说明的是，图2所示的天线单元仅用于示例性说明，本领域技术人员可以根据实际情况的需要，添加、调整、替换或者减省其中的一个或者多个功能部件，而不限于图2所示。图2所示的天线单元的实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合，并且只要彼此之间未构成依赖就可以独立在不同的实施例中应用。
59.图3为本技术实施例提供的天线阵列的结构示意图。该天线阵列由多个天线单元10组成(在图3中以6个天线单元为例进行展示)，作为辐射部布置在基板的第一表面。
60.请参阅图3，上述两个或以上的天线单元10可以在基板上表面沿着与传输线延伸方向垂直的水平方向间隔排列，从而组成完整的天线阵列。相邻的两个天线单元之间具有相同的间隔d2。
61.在一些实施例中，该间隔d2可以被控制在第三数值范围之内。该第三数值范围是以预设的标准间距为基准，上下浮动允许误差而形成的数值范围。其中，该预设的标准间距可以由所需要的天线波束特性来决定。
62.具体的，在实现本技术的过程中，申请人发现可以两个波束之间的波束夹角与标准间距之间的关系可以通过如下算式(1)表示：
63.theta＝2*arc sin(λ/(2*d))(1)
64.其中，theta为波束夹角，d为标准间距，λ为波长。
65.本技术实施例提供的天线阵列的其中一个有利方面是：可以通过调整相邻天线单元之间的间距来方便的获得所需要的波束夹角，从而满足实际使用的需要。
66.在另一些实施例中，请继续参阅图3，每个天线单元的输入端口310都对应连接到一个移相器20，由移相器20提供特定的电磁信号。
67.其中，移相器20是用于改变天线阵列之中规律布置的各个天线单元之间信号的相位关系的部件。其具体可以根据实际情况的需要而选择使用任何合适类型的移相器，在本技术中不作具体限定。
68.具体的，如图3所示的，0
°
相移的第一移相器和180
°
相移的第二移相器可以采用交替设置，间隔排列的形式以取得合适的波束跃度。当然，在本实施例中，第一移相器和第二移相器仅用于区分移相器的相移角度不同，而不用于对移相器进行具体限定。
69.基于本技术实施例提供的天线阵列，本技术还进一步提供了一种利用该天线阵列的传感器设备。该传感器设备具体可以是任何合适类型的，用于感知周边环境或者障碍物等情况的检测设备，例如设置在汽车上，用于实现车辆自动驾驶、自适应循环或者碰撞检测的车载雷达。在本实施例中，不对传感器设备的具体实现进行限定。
70.图4为本技术实施例提供的传感器设备的功能框图。请参阅图4，该传感器设备除了上述实施例中描述的天线阵列以外，还可以包括：控制器30以及功率分配器40。
71.其中，控制器30可以是任何类型的，由一个或者多个电子元件组合形成，可以生成、处理或者分析电磁信号的电子系统。其经由特定的信号通道50，通过移相器20连接到各个天线单元的输入端口。
72.功率分配器40是将一路信号分配为多路信号的功能模块。在实际操作过程中，控制器30经由信号通道传递的电磁信号可以经过功率分配器40分配为多路信号(例如图4所示的6路)以后，通过移相器20馈入各个天线单元的输入端口。
73.应当说明的是，图4所示的传感器设备仅用于示例性说明，本领域技术人员可以根据实际情况的需要，添加、调整、替换或者减省其中的一个或者多个功能部件，而不限于图4所示。例如，在一些可选的实施例中，上述传感器设备中的功率分配器40也可以被省略，由移相器20直接连接到信号通道50。
74.为充分说明本技术实施例的天线阵列，本技术还进一步提供了天线阵列的天线参数的具体实例。
75.图5为本技术实施例提供的天线单元的水平辐射方向图。图6为本技术实施例提供的天线单元的s参数的示意图。图7为本技术实施例提供的天线阵列的方向图。
76.请参阅图5，图5中示出了传统天线结构的笔形波束s1与本技术实施例的天线单元的锥形波束s2。如图5和6所示，相对于传统天线结构而言，本技术实施例的天线单元的最大增益方向主要在
±
60
°
的位置。其在侧向(
±
60
°
3sx)具有较大的增益(相对于传统天线在
±
60
°
的位置，提升了大约10db)。因此，在采用上述天线单元时，雷达的侧向检测性能能够得到显著的提升，也具有较宽的阻抗带宽。
77.请参阅图7，图7中示出相邻两个天线单元之间的间距为波长的75％时的仿真结果。其显示了该天线阵列可以实现多波束高增益的效果。当然，在需要调整波束夹角的情况下，还可以根据如上实施例所提供的算式(1)，通过调节天线单元之间间距的方式来对波束夹角进行调整。
78.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；在本技术的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。