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    一种天线结构及电子设备[ZH]

    专利编号: ZL202505080012

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    拟转化方式: 转让;普通许可;独占许可;排他许可;作价投资;质押融资;其他(其他)

    交易价格:面议

    专利类型:发明专利

    法律状态:授权

    技术领域:电子电器

    发布日期:2025-05-08

    发布有效期: 2025-05-08 至 2041-11-09

    专利顾问 — 伍先生

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    专利基本信息
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    申请号 CN202111319495.0 公开号 CN114050400A
    申请日 2021-11-09 公开日 2022-02-15
    申请人 中汽创智科技有限公司 专利授权日期 2024-10-25
    发明人 李丰军;周剑光;张魏;王震 专利权期限届满日 2041-11-09
    申请人地址 211100 江苏省南京市江宁区秣陵街道胜利路88号中汽创智大厦 最新法律状态 授权
    技术领域 电子电器 分类号 H01Q1/32
    技术效果 可靠性 有效性 有效(授权、部分无效)
    专利代理机构 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人 李林
    专利技术详情
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    01

    专利摘要

    本发明涉及通信技术领域,公开了一种天线结构及电子设备,EBG单元包括本体,和凸设于本体且沿本体周向分布的多个凸部,针对不同类型的天线,可以通过调节EBG单元的尺寸,使天线结构的工作频率在其阻带内,从而使谐振频率附近的表面波不能在其表面传播。相比六边形蘑菇形状的EBG单元而言,本发明提供的EBG单元结构简单,可调的尺寸较多,尺寸敏感度低,易加工;通过降低EBG单元的尺寸敏感度,可以减小天线方位面增益曲线抖动,使天线的方位面增益曲线较为平滑。电感L和电容C形成LC谐振回路。改变相邻两个EBG单元之间的缝隙,可以增大LC谐振回路中的电容,降低谐振频率,实现不改变金属片结构尺寸的前提下调节谐振频率。
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    02

    专利详情

    技术领域 本发明涉及通信技术领域,尤其涉及一种天线结构及电子设备。 背景技术 雷达是汽车自动驾驶系统中的核心传感器之一,雷达天线的性能优劣对雷达起着至关重要的作用。 目前的汽车上通常采用毫米波雷达,毫米波雷达天线主要包括微带(Patch)天线和梳状(Comb)天线两种。其中,Patch天线为垂直极化,容易受到地杂波的干扰,且具有带宽窄的缺点。Comb天线为水平极化,带宽较宽,且容易实现小型化,是目前常用的一种天线形式。但是Comb天线水平面增益曲线平滑性较差,而较差的水平面增益曲线平滑性会降低方位角测量精度。 为此,现有技术通常采用在天线上设置EBG结构(电磁带隙结构)抑制雷达天线表面波,使天线的方位面增益曲线变得更加平滑。但常用的EBG结构为六边形蘑菇形状,该种形状的EBG结构的单个EBG单元的可调参数较少,阻带带宽窄,而且EBG单元的六个边相等,经过试验验证发现尺寸敏感度较大,仅可以在很窄的频段内实现阻带特性,因此具有结构复杂、对尺寸过于敏感、不利于加工的缺陷。 发明内容 本发明的目的在于提供一种天线结构及电子设备,不仅可以展宽天线方位面波束宽度,减小天线方位面增益曲线抖动,使天线的方位面增益曲线较为平滑,还具有结构简单、对尺寸的敏感度降低及易于加工的优点。 为达此目的,本发明采用以下技术方案: 一种天线结构,包括介质基板,平铺于所述介质基板厚度方向一侧的金属接地板,及平铺于所述介质基板厚度方向另一侧的: EBG结构,所述EBG结构包括M行N列EBG单元,且M行所述EBG单元沿第一方向排布,N列所述EBG单元沿第二方向排布,所述第一方向、所述第二方向和所述介质基板的厚度方向两两垂直;所述EBG单元为金属片; 天线,所述EBG结构设置于所述天线的非馈电侧; 所述EBG单元包括本体,和凸设于所述本体且沿所述本体的圆周方向设置的多个凸部,相邻两个所述EBG单元之间设有缝隙形成电容C;所述金属接地板通过贯穿所述本体、所述介质基板和所述金属接地板的过孔结构与所述EBG单元连接,并形成电感L,所述电感L和所述电容C形成LC谐振回路。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,所述本体在所述介质基板上的投影为环形或带孔的多边形。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,所述本体在所述介质基板上的投影为带孔的长方形,多个所述凸部包括: 两个第一凸部,分别位于所述本体第一方向的相对两侧且关于所述本体对称; 两个第二凸部,分别位于所述本体第二方向的相对两侧且关于所述本体对称。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,相邻两行的所述EBG单元错位分布。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,第i行的第j列和第j+1列的两个所述EBG单元关于垂直于所述第二方向的预设平面对称; 第i+1行中,位于第i行的第j列和第j+1列的两个所述EBG单元之间的所述EBG单元关于所述预设平面对称,1≤i≤M-1,1≤j≤N-1。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,所述EBG单元沿第一方向的最大长度为L1,所述EBG单元沿所述第二方向的最大长度为L2,所述第一凸部沿所述第二方向的长度为W1,所述第二凸部沿第一方向的长度为W2; 第j列的第i行和第i+1行的两个所述EBG单元的中心在所述第一方向上的距离为D1,(L1+W2)/2<D1<L1;第i行的第j列和第j+1列的两个所述EBG单元的中心在所述第二方向上的距离为D2,L2<D2<L2+W1,1≤i≤M-1,1≤j≤N-1。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,L2:L1=0.3~0.5,所述L1不大于所述天线结构的波导介质的波长。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,所述天线设有至少两个,任意相邻两个所述天线之间均设有所述EBG结构。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,每个所述天线的三个非馈电侧均设有所述EBG结构; 三个所述EBG结构沿第一方向依次分布形成有具有开口的布置腔,所述天线的一端从对应的所述布置腔的开口伸入该所述布置腔内。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,所述过孔结构与所述EBG单元一一对应,每个所述过孔结构包括同轴设置的: 第一通孔,设于所述EBG单元上,且与所述EBG单元沿所述介质基板厚度方向的中心轴线同轴; 第二通孔,设于所述介质基板上,所述第二通孔的内壁设有金属层; 第三通孔,设于所述金属接地板上。 作为上述天线结构的一种可选技术方案,所述天线的工作频段为76GHz~81GHz。 本发明还提供了一种电子设备,包括上述任一方案所述的天线结构。 作为上述电子设备的一种可选技术方案,所述电子设备为毫米波雷达。 本发明的有益效果:本发明提供的天线结构,EBG单元为金属片,EBG单元包括本体,和凸设于本体且沿本体的圆周方向设置的多个凸部,针对不同类型的天线,可以通过调节EBG单元的尺寸,使天线结构的工作频率在其阻带内,从而使谐振频率附近的表面波不能在其表面传播。相比六边形蘑菇形状的EBG单元而言,EBG单元结构简单,而且可调的尺寸较多,尺寸敏感度低,易加工,加工成本低;通过降低EBG单元31的尺寸敏感度,可以减小天线方位面增益曲线抖动,使天线的方位面增益曲线较为平滑,满足天线对工作频段的要求。 相邻两个EBG单元之间设有缝隙形成电容C;金属接地板通过贯穿本体、介质基板和金属接地板的过孔结构与EBG单元连接,并形成电感L,电感L和电容C形成LC谐振回路。通过改变相邻两个EBG单元之间的缝隙,可以增大LC谐振回路中的电容,降低谐振频率,可以在不改变金属片结构尺寸的前提下调节谐振频率,展宽天线方位面波束宽度。 本发明提供的电子设备,采用上述的天线结构,通过对天线结构的EBG单元的结构以及多个EBG单元之间的分布形式的限定,可以展宽天线方位面波束宽度,满足天线对工作频段的要求;减小天线方位面增益曲线抖动,使天线的方位面增益曲线较为平滑,降低尺寸敏感度、加工难度和加工成本。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。 图1是本发明实施例提供的天线结构的示意图; 图2是本发明实施例提供的EBG单元的结构示意图; 图3是本发明实施例提供的EBG结构的局部结构示意图; 图4是本发明实施例提供的天线结构方位面增益曲线图; 图5是采用现有六边形蘑菇形状的EBG单元和采用本发明实施例提供的十字形结构EBG单元的天线结构方位面仿真对比图。 图中: 1、介质基板;2、天线; 3、EBG结构;31、EBG单元;311、本体;3111、第一通孔;312、第一凸部;313、第二凸部;32、布置腔。 具体实施方式 为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚,下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。 本实施例提供了一种电子设备,示例性地,该电子设备为雷达,在应用到车辆上时,主要为毫米波雷达。雷达上安装有天线结构,雷达是用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向;而在接收时又需尽可能只接收探测方向的回波,同时分辨出目标的方位和仰角,或二者之一。雷达测量目标位置的三个坐标(方位、仰角和距离)中,有两个坐标(方位和仰角)的测量与天线结构的性能直接有关。因此,天线结构的性能对于雷达设备比对于其他电子设备(如通信设备等)更为重要。 如图1所示,该天线结构包括介质基板1、EBG结构3、天线2和金属接地板,其中,金属接地板平铺于介质基板1厚度方向的一侧,EBG结构3和天线2均平铺于介质基板1厚度方向的另一侧,EBG结构3和天线2同层。天线2具有馈电侧和非馈电侧,EBG结构3设于天线2的非馈电侧。金属接地板平铺于介质基板1的下侧面形成第一金属层,EBG结构3和天线2均平铺于介质基板1的上侧面形成第二金属层。 现有技术常用的EBG单元31采用六边形蘑菇形状,天线方位面增益曲线较为平滑,但具有结构复杂、对尺寸过于敏感、不利于加工的缺陷。为此,本实施例对EBG单元31的形状及EBG结构3的多个EBG单元31之间的分布进行改进,以简化EBG单元31的结构,降低EBG结构3的尺寸敏感度低,简化EBG单元31的加工,使天线2的方位面增益曲线较为平滑。 下面结合附图2和图3,对本实施例提供的EBG结构3进行简要介绍。 EBG结构3包括M行N列EBG单元31,EBG单元31为金属片,M行EBG单元31沿第一方向排布,N列EBG单元31沿第二方向排布,M为大于等于1的正整数,N为大于等于1的正整数,第一方向、第二方向和介质基板1的厚度方向两两垂直。可选地,在M大于等于3,且N大于等于3时,EBG结构3呈高阻性能。 相邻两个EBG单元31之间设有缝隙形成电容C;金属接地板通过本体、介质基板1和金属接地板的过孔结构与EBG单元31连接并形成电感L,电感L和电容C形成LC谐振回路。对相邻两个EBG单元31之间的缝隙要求小,可以适当增大相邻两个EBG单元31之间的缝隙,增大LC谐振回路中的电容,降低谐振频率,可以在不改变金属片结构尺寸的前提下调节谐振频率,使天线2工作在高频段。 可选地,天线2的工作频段为76GHz~81GHz。天线2的工作频率可以是76GHz、77GHz、78GHz、79GHz、80GHz、81GHz中任一值。 更加具体地,上述过孔结构与EBG单元31一一对应,每个过孔结构包括同轴设置的第一通孔3111、第二通孔和第三通孔,其中,第一通孔3111设于EBG单元31上,且与EBG单元31沿介质基板1厚度方向的中心轴线同轴;第二通孔设于介质基板1上,通常介质基板1为非金属材料制成,第二通孔的内壁设有金属层,第三通孔设于金属接地板上。第一通孔3111的内壁、第二通孔内壁的金属层和第三通孔的内壁导通形成上述过孔结构。 EBG单元31包括本体,和凸设于本体且沿本体圆周方向间隔设置的多个凸部。针对不同类型的天线2,可以通过调节EBG单元31的尺寸,使天线结构的工作频率在其阻带内,从而使谐振频率附近的表面波不能在其表面传播。结构简单,而且采用上述结构的EBG单元31,实现可调的尺寸较多,降低尺寸敏感度,易加工,加工成本低;通过降低EBG单元31的尺寸敏感度,可以减小天线方位面增益曲线抖动,使天线2的方位面增益曲线较为平滑。 可选地,本体在介质基板1上的投影可以为带孔的多边形,如三角形、长方形、正方形、五边形、六边形等,凸部的个数可以是两个、三个、四个或者更多,在此不再一一列举。试验验证发现,多边形的边的条数与凸部的个数一一对应,即本体的每个周向侧面设置一个凸部,此时天线方向图曲线相对较为光滑。于其他实施例中,还可以在本体的至少一个周向侧面不设置凸部,还可以在本体的至少一个周向侧面设置不少于一个凸部。于其他另一实施例中,本体在介质基板上的投影还可以为圆环,此时将多个凸部沿圆环的周向以等间隔或不等间隔的形式分布,可选地,将多个凸部沿圆环的周向等间隔分布。 优选地,本体为四边形,示例性地,本体为长方形,EBG单元31为X字形结构,上述EBG单元31的交叉角度为大于45°且小于等于90°的任一角度。于其他实施例中,本体还可以为除长方形之外的四边形,如正方形、菱形等。通过试验验证发现,相同验证条件下,EBG单元31的交叉角度为90°时,天线方向图曲线最为光滑,即EBG单元31为十字形结构。 具体地,如图2和图3所示,十字形结构的EBG单元31的多个凸部包括两个第一凸部312和两个第二凸部313,其中,两个第一凸部312分别位于本体311第一方向的相对两侧且关于本体311对称,两个第二凸部313分别位于本体311第二方向的相对两侧且关于本体311对称。需要说明的是,EBG单元31并不仅限于X字形,还可以采用环形、五边形、六边形等形状的本体,多个凸部沿本体周向间隔分布,凸部的数量可以是两个、三个、四个或者更多,在此不再详细赘叙。 天线2的个数根据芯片上引脚的个数确定,由所用芯片的类型确定,参照图1,示例性地,上述天线2设有一个。需要说明的是,于其他实施例中,天线2的个数还可以是两个、三个或者更多。 天线2的三个非馈电侧均设有EBG结构3,三个EBG结构3沿第一方向依次分布形成有具有开口的布置腔32,天线2的一端从对应的布置腔32的开口伸入该布置腔32内。在天线2的三个非馈电侧均设置EBG结构3,对天线2形成半包围结构,可以最大限度地抑制表面波,展宽天线方位面波束宽度,减小天线方位面方向图波动。示例性地,上述布置腔32为U形腔。需要说明的是,在天线2的非馈电侧设置EBG结构3的目的是对天线2形成半包围结构,并不仅限于上述形状的限定。 示例性地,布置腔32的深度方向为第二方向,三个EBG结构3沿第一方向依次分布。相邻两个EBG结构3的多个EBG单元31之间的分布形式与单个EBG结构3的多个EBG单元31之间的分布形式相同,在此仅对单个EBG结构3的多个EBG单元31之间的分布形式进行介绍。 沿第一方向分布的相邻两行EBG单元31错位分布,实现EBG结构3的各个EBG单元31之间的分布进行优化,可以展宽天线方位面波束宽度,同时减小天线方位面增益曲线抖动。需要说明的是,不同的EBG结构3的行和列的个数可以不同,具体可以通过仿真实验验证位于天线2不同位置的EBG结构3的M和N的取值。 具体地,EBG单元31沿第一方向的最大长度为L1,EBG单元31沿第二方向的最大长度为L2,第一凸部312沿第二方向的长度为W1,第二凸部313沿第一方向的长度为W2;第j列的第i行和第i+1行的两个EBG单元31的中心在第一方向上的距离为D1,(L1+W2)/2<D1<L1;第i行的第j列和第j+1列的两个EBG单元31的中心在第二方向上的距离为D2,L2<D2<L2+W1,1≤i≤M-1,1≤j≤N-1。采用上述设置使沿第一方向分布的相邻两行EBG单元31错位分布。 可选地,第i行的第j列和第j+1列的两个EBG单元31关于垂直于第二方向的预设平面100对称;第i+1行中,位于第i行的第j列和第j+1列的两个EBG单元31之间的EBG单元31关于预设平面100对称。实现EBG结构3横向和纵向交错排列,使相邻两个EBG结构3之间产生附加的缝隙,增大LC谐振回路中的电容,降低谐振频率,可以在不改变金属片结构尺寸的前提下调节谐振频率。 可选地,EBG单元31沿第一方向的最大长度为L1,EBG单元31沿第二方向的最大长度为L2;L2:L1=0.3~0.5,L1不大于天线结构的波导介质的波长。通过对L1和L2的限定,可以展宽天线方位面波束宽度,同时减小天线方位面增益曲线抖动,使天线方向图曲线更为平滑。 示例性地,介质基板1采用厚度为0.127mm的R03003系列,天线2选用梳状天线,天线2的工作频段采用76GHz~81GHz。L1=0.6mm,L2=0.85mm,W1=0.26mm,W2=0.28mm。位于图3中天线2上方的EBG结构3包括沿第一方向和第二方向呈10×17分布的多个EBG单元31,位于图3中天线2右侧的EBG结构3包括沿第一方向和第二方向呈10×3分布的多个EBG单元31,位于图3中天线2下方的EBG结构3包括沿第一方向和第二方向呈12×17分布的多个EBG单元31。 上述天线结构中,天线结构的所有枝节长度取值在λg/2附近,其中,λg表示波导介质的波长,λ0表示空气波长,c表示光速,f0表示谐振频率,εr表示介质介电常数。 高阻抗表面的阻抗为Zs,其中,j表示虚数,ω表示角频率,L为阻抗,C为电感。在谐振频率处,表面阻抗非常高,表面波将被抑制。当电磁波入射到表面阻抗为Zs的表面上时,在表面上将会有电磁波反射回来,其反射系数可以表示为其中,η表示自由空间的波阻抗。 高阻抗表面的特性类似于理想磁导体,其表面阻抗会随着频率的变化而变化,在谐振频率处,阻抗非常高,Zs→∞,其反射系数为1,说明在高阻抗表面反射波与入射波同相,反射相位并不发生变化,即高阻抗表面的反射波与导体表面的反射波相位相差180度,二者的反射波可以互相抵消,从而达到减小反射波的目的,展宽天线波束的同时,达到减小了天线方向图波动的目的。 图4为EBG单元31采取十字形结构时的天线方位面增益曲线,横坐标为方位面角度,纵坐标为天线增益,其中,实线为天线旁边增加中心打孔的十字形结构的EBG单元31的天线增益曲线,虚线为天线2旁边无十字形结构的EBG单元31的天线增益曲线,从图4可以看出,天线2旁边没有加EBG结构3时,方位面增益曲线抖动大于3dB,不满足天线方位面测角精度,加了EBG结构3后,天线方位面增益曲线抖动在1dB以内,满足天线方位面测角精度要求,同时天线方位面3dB波束宽度展宽了26°,方位面6dB波束宽度展宽了44°。 图5为采取不同EBG单元及不设置EBG单元的天线方位面仿真对比图,图5中EBG1为采用十字形EBG单元的仿真结果曲线,EBG2为采用六边形蘑菇形状的EBG单元的仿真结果曲线,图5中还示出了不采用任何EBG单元的仿真结果曲线,从仿真对比结果可以看出,相比不采用任何EBG单元而言,采取两种EBG单元的天线方位面方向图均变得光滑,但是采取EBG1结构还可以展宽天线方位面方向图波束宽度。 显然,本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。 在本发明的描述中,需要说明的是,术语 " 中心 " 、 " 上 " 、 " 下 " 、 " 左 " 、 " 右 " 、 " 竖直 " 、 " 水平 " 、 " 内 " 、 " 外 " 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,因此不能理解为对本发明的限制。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。其中,术语 " 第一位置 " 和 " 第二位置 " 为两个不同的位置。 在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语 " 安装 " 、 " 相连 " 、 " 连接 " 应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 一种天线结构及电子设备
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