一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置

1.本发明属于调频连续波雷达技术领域，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：

2.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。


技术实现要素：

3.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。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一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；
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.本发明的有益效果在于：
13.(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。
14.(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。
15.(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。
16.(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。
17.(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。
18.(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。
19.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。
附图说明
20.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
21.图1为天线子阵列结构示意图。
22.图2为天线子阵列的s11与辐射方向图仿真结果图。
23.图3为收发天线结构示意图。
24.图4为一发两收天线结构示意图。
25.图5为收发天线的s11与辐射方向图仿真与测试结果图。
26.图6为三角波调制电路原理图。
27.图7为射频收发电路端口匹配与信号合成网络结构示意图。
28.图8为射频收发电路端口匹配与信号合成网络仿真结果图。
29.图9为中频信号输出电路原理图。
30.图10为雷达系统模块连接框图。
具体实施方式
31.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
33.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
34.请参阅图1～图10，为一种基于高增益低副瓣串馈天线的毫米波雷达装置，包括：天线单元、天线子阵列、收发天线、一发两收天线布局、三角波调制发生电路、端口匹配、信号合成网络、中频信号输出电路、雷达系统模块连接框图。
35.图1为天线子阵列结构示意图，基于8元中心馈电的切比雪夫电流分布，设置其电流比为0.30：0.55：0.82：1.00：1.00：0.82：0.55：0.30。图中w和l为天线单元的宽度和长度，且尺寸相同，分别为w＝4.20mm，l＝3.05mm。主馈线采用特性阻抗为60ω微带线，对应宽度为w0＝0.40mm，根据单元电流分布可求得所需四分之一阻抗变换段的输入阻抗分别为60ω、73ω、90ω、110ω，对应的宽度分别为w0＝0.40mm，w2＝0.29mm，w3＝0.18mm，w4＝0.10mm，阻抗变换线均为矩形结构，且长度相同，均为l1＝1.80mm。u型结构位于馈电点右侧，为三段矩形微带线组成，两端间距为d1＝1.20mm，突出长度为l3＝1.40mm，微带线宽度和切角宽度均为w0＝0.40mm。
36.图2为天线子线阵列的s11与辐射方向图仿真结果图，天线子线阵列在24ghz～24.25ghz频段内仿真的s11小于-10db，端口匹配性能良好，在中心频率24.125ghz处，主瓣增益为14.5dbi，h面副瓣电平-23.1db，实现了良好的低副瓣特性。
37.图3为收发天线结构示意图，两个天线子阵列间距为d2＝7.05mm，呈对称分布，中间的馈电结构连接两个天线子阵列，微带线宽度w5＝0.28mm，圆环内外直径分别为r1＝
0.68mm，r2＝1.32mm，馈电探针连接至圆环内环馈电。
38.图4为一发两收天线布局示意图，三个天线中心馈电点在同一直线上，发射天线通过馈电结构连接射频发射端，接收天线1和接收天线2通过馈电结构连接射频接收端，发射天线端口与接收天线1端口的间距为d3＝25.00mm，根据公式确定接收天线1端口与接收天线2端口的间距为d4＝19.40mm，式中为相位差，λ为波长，d
12
为接收天线间距，θ为h面主瓣的半功率波束宽度。
39.图5为收发天线的s11与辐射方向图仿真与测试结果图，在24ghz～24.25ghz频段内，天线的s11测试和仿真结果均小于-10db，具有良好的阻抗匹配性能，实测谐振点略有偏移，这主要是由连接器插入损耗和测试环境引起的，在频段内，两根天线的主瓣增益随频率变化保持稳定，与仿真结果一致性良好。收发天线的主瓣增益为17.3dbi，h面的副瓣电平为-23.6db，e面和h面的半功率波束宽度分别为42.2
°
和14.7
°
，测试的整体性能和仿真性能一致性良好，表明该设计方法的正确性和有效性。
40.图6为三角波调制发生电路原理图，利用icl8038芯片产生频率为300hz的三角波从芯片端口3输出，并通过ua741cp芯片控制三角波幅度，滑动变阻器vr1与vr2和vr5为分压电阻，将输入和输出的电压值调整至所需的幅值，电阻r1～r4的阻值均为10kω，电容c1的阻值为100nf，该电路可输出压控振荡器产生24ghz～24.25ghz频段内调频连续波所需的电压信号。
41.图7为射频收发电路端口匹配与信号合成网络结构示意图，bgt24mtr12芯片射频信号的发射端口1、2阻抗典型值分别为(20.8-j20.2)ω、(19.5-j11.7)ω，用w7＝0.30mm、l3＝0.55mm和w8＝1.24mm、l4＝1.61mm的两段矩形微带线匹配至50ω，接收端口1、2的阻抗典型值分别为(15.9-j18.4)ω、(15.7-j18.9)ω，用w
10
＝0.33mm、l5＝0.68mm和w9＝1.15mm、l6＝1.59mm的两段矩形微带线匹配至50ω。信号合成网络的输入端连接至射频信号发射端口匹配段，该结构为一阶威尔金森功分器，用w6＝0.50mm，r＝3.34mm的半圆弧形微带线完成对信号提供180
°
的相位延迟，完成信号的同相合成，在功分器的匹配段加入阻值为100ω的隔离电阻提升该结构的端口隔离度。
42.图8为射频收发电路端口匹配与信号合成网络仿真结果图，在雷达工作频段内(24ghz～24.25ghz)，三个端口s11均小于-20db，端口匹配性能良好，发射端口间的隔离度大于25db，端口间的隔离度较好，发射端口的传输系数均为-3db左右。
43.图9为中频信号输出电路原理图，芯片选用ina849dr，r8的阻值可调整放大器的放大倍数，c2、r6和c3、r7分别构成一个rc高通滤波器，阻值和电容分别为r＝51ω，c＝22μf，截止频率为141hz，可滤除直流信号，降低调制信号的泄露，对中频信号进行放大，在直流电源和地之间并接滤波电容，电容值为c4＝100nf，滤除电源的杂波和交流成分。
44.图10为射频前端电路结构示意图，三角波调制电路输出信号连接射频收发电路压控振荡器粗调与精调输入端口，发射天线与接收天线分别连接射频收发电路的射频发射端口与射频接收端口，输出的中频信号连接4路中频信号处理电路，合成输出处理后的中频信号。

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；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信号输出端口与中频信号处理电路输入端口连接。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；所述收发天线阵列电流幅度满足切比雪夫分布，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；所述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，通过调节天线间距，端口隔离度小于-25db，接收天线间信号相位差控制在2π内，能准确提取目标角度信息。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；所述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。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。广的特点。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：2023.03.31
技术公布日：2023/7/20