毫米波汽車?yán)走_(dá)微帶天線設(shè)計(jì)*

侯亞玲

（西安歐亞學(xué)院 陜西 西安 710065）

引言

近年來國民經(jīng)濟(jì)水平逐步提高，機(jī)動車的數(shù)量呈現(xiàn)迅速增長趨勢，逐漸復(fù)雜的道路交通環(huán)境促使我國對于智能交通管理系統(tǒng)的要求向智能化、實(shí)時化、全面化發(fā)展，想要達(dá)到這個要求，必須依賴可靠、實(shí)時和準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)，視頻、雷達(dá)等檢測手段提供了多模式的大數(shù)據(jù)。而毫米波雷達(dá)具有的技術(shù)優(yōu)勢在智能交通領(lǐng)域扮演著重要角色。機(jī)動車數(shù)量的高速增長帶來的擁堵、事故、環(huán)境惡化等一系列交通問題，使交通安全成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)話題。毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)越性，成為近年來研究和發(fā)展車載防撞雷達(dá)系統(tǒng)的主流技術(shù)，天線作為毫米波雷達(dá)的重要組成部分，直接影響著系統(tǒng)的總體成本。

根據(jù)雷達(dá)利用電磁波反射特性來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并計(jì)算出目標(biāo)距離和速度的工作原理，防撞雷達(dá)天線需要具有以下幾個特點(diǎn)：

1）具有足夠的工作帶寬；

2）體積小結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成；

3）根據(jù)雷達(dá)安裝位置可對天線主波束偏角進(jìn)行設(shè)計(jì)。

微帶天線是近年來逐漸發(fā)展起來的一類新型天線。在民用上面常見于微波雷達(dá)傳感器，相對于傳統(tǒng)的喇叭天線，傳感器具有體積小，方向性好，使用方便等特點(diǎn)。因此，機(jī)動車輛的防撞雷達(dá)天線多采用微帶陣列天線。目前車載防撞雷達(dá)天線的工作頻率一般選擇在 24GHz、35GHz和77GHz。其中77 GHz頻率太高，對器件的加工精度要求非常嚴(yán)苛，而35 GHz的Ka頻帶內(nèi)多為軍用頻段。為了避免干擾，因此本文的車載防撞雷達(dá)天線基于24GHz的工作頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。

1 微帶天線的輻射機(jī)理

微帶天線（microstrip antenna）是由很薄的有一定形狀的金屬貼片，以遠(yuǎn)小于波長的間隔置于一接地導(dǎo)電板上面構(gòu)成的。微帶貼片與接地平板間有一稱為基片的介質(zhì)層隔開。輻射單元通?？淘诮橘|(zhì)基片上。貼片可以是方形、矩形、圓形、橢圓形或三角形等[2]。微帶天線的輻射機(jī)理實(shí)際上是高頻的電磁泄漏，它的電磁場是可以無限延伸的，這樣微帶線的場空間由兩個不同介電常數(shù)的區(qū)域（空氣和介質(zhì)）構(gòu)成。

如果在接地板上刻蝕縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印制微帶線時，縫隙饋電，則構(gòu)成微帶縫隙天線。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微帶貼片天線

微帶天線現(xiàn)已應(yīng)用于大約100MHz~500GHz的寬廣頻域上的大量無線電設(shè)備中，如衛(wèi)星通信、雷達(dá)、環(huán)境檢測儀表及醫(yī)用微波輻射計(jì)等[2]。與普通微波天線進(jìn)行比較，優(yōu)勢如下：

1）質(zhì)量輕，體積小，剖面薄，并可制成與載體（如飛行器）共形；

2）電性能的多樣化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等；

3）能與有源器件和電路集成為統(tǒng)一的模件；4）微帶天線的輻射是由微帶天線導(dǎo)體邊沿和地板之間的邊緣場產(chǎn)生的。

通常的微帶貼片天線是一個半波輻射結(jié)構(gòu)，基本的工作模式是TM10或TM01，TM10模式意味著電場在長度L方向上有二分之一個導(dǎo)波波長的改變，而在寬度W方向上保持不變，矩形微帶天線的長度L[3]、品質(zhì)因數(shù)Q[3]和工作帶寬BW[3]理論上如下式所示：

式中：c為真空光速，c=3×108m/s；ξr為介質(zhì)基底的介電常數(shù);f是諧振頻率；h為介質(zhì)板厚度，S代表天線輸入端電壓駐波系數(shù)；Q是品質(zhì)因數(shù)。

由式（1）、（2）、（3）可以看出介電常數(shù) ξr越大，天線的尺寸越??；相反介電常數(shù)ξr越小，厚度h越大，天線的工作帶寬BW則越大；因此得到理想尺寸和工作帶寬天線的關(guān)鍵是合理選擇介質(zhì)板的介電常數(shù)和厚度。決定陣列天線特性的主要參數(shù)有4個，分別是：單元個數(shù)、單元位置、單元的激勵振幅及其相位[4]。假設(shè)在一個天線陣列中，共有N個單元，第n個單元在陣中的波瓣為fn（θ，φ），它在陣中的位置為（xn，yn，zn），激勵的振幅為 In，相位為 φn，則這個天線陣列的波瓣可以寫為：

式中：k=2π/λ為波數(shù)，λ為工作波長。fn（θ，φ）為第n個單元在陣列環(huán)境中的波瓣，叫做單元陣波瓣。

2 毫米波汽車?yán)走_(dá)微帶天線

汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)必須準(zhǔn)確地探測到前方掃描區(qū)域內(nèi)的所有運(yùn)動和靜止的目標(biāo)，并且計(jì)算出目標(biāo)的距離和速度，同時進(jìn)行預(yù)警。典型的車載防撞雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括天線、信號收發(fā)前段、信號處理模塊、報(bào)警模塊以及汽車控制模塊。車載毫米波雷達(dá)就是通過毫米波天線向外輻射毫米波信號，當(dāng)該信號遇到目標(biāo)后就發(fā)生反射，反射回來的回波信號再被雷達(dá)的接收天線所接收，經(jīng)過相應(yīng)的算法和信號處理就可以得到目標(biāo)的距離和速度。

要求雷達(dá)天線增益要高，同時副瓣、后瓣電平要低。天線的發(fā)射角足夠小，能夠排除臨近車道上車輛目標(biāo)的干擾；整機(jī)體積足夠小，重量最輕，方便與車輛進(jìn)行整體配套。還要注意與車輛中的其他電子系統(tǒng)的電磁兼容。

根據(jù)應(yīng)用場合的不同，對微帶天線的饋電可以采用不同的形式，幾種常用的饋電方式為[5]：

1）微帶傳輸線饋電[5]；

2）同軸線探針饋電[5]；

3）電磁耦合型饋電[5]；

4）共面波導(dǎo)饋電[6]。

該天線工作于Ku波段，介質(zhì)基板厚度為0.508 mm，介電常數(shù)為2.2羅杰斯5880高頻介質(zhì)板，天線采用非諧振式串饋形式，通過輸入阻抗匹配以及陣列末端加載匹配負(fù)載的形式，實(shí)現(xiàn)天線的高工作帶寬和波束偏角設(shè)計(jì)。圖2所示為毫米波雷電微帶天線示意圖。

圖2 毫米波汽車?yán)走_(dá)微帶天線示意圖

首先是對天線輻射單元的設(shè)計(jì)，根據(jù)天線的中心工作頻率確定天線的寬度W2和長度L2。

2.1 矩形微帶天線單元寬度W的選取

對于諧振頻率為fo，介質(zhì)基片厚度為h，且要求矩形天線單元輻射效率較高的條件下，其實(shí)用寬度是：

2.2 矩形微帶天線單元長度L的選取

對于工作于主模TM01模的矩形微帶天線單元的長度L近似為λg/2，其中λg為介質(zhì)波長，計(jì)算公式為：

式中：εe為介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)，由邊緣效應(yīng)確定，由施奈德得到的εe的經(jīng)驗(yàn)公式為[6]：

在工程實(shí)際中，由于考慮到邊緣場的影響，在確定L的尺寸時從λg/2中減去2ΔL。而由下式計(jì)算：

天線單元的長寬確定后，需要對饋電到天線輻射單元間的輸入微帶線的長度和寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到天線工作帶寬的指標(biāo)要求，其中W1為50Ω微帶線的寬度，可以根據(jù)微帶線公式求得，50Ω微帶線的長度L1以及到天線輻射單元的過渡線的寬度和長度需要通過HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的陣列天線需要與天線的法線方向偏角為30°，為達(dá)到此目的，采用非諧振式串饋的方式，把兩個天線輻射單元之間的間距變?yōu)樾∮讦薿/2，并在天線末端接入負(fù)載電阻，負(fù)載電阻末端接地。

如公式（10）所示，θ為天線波束與法線夾角，β為兩輻射單元間的相位差，通過調(diào)整L3的長度，達(dá)到天線波束指向要求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

根據(jù)微帶天線理論，借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了微帶天線單元，給出了其最佳參數(shù)與輻射性能，并加工制作了毫米波汽車?yán)走_(dá)微帶天線樣機(jī)，實(shí)物如圖3所示。

圖3 毫米波汽車?yán)走_(dá)微帶天線實(shí)物

最終確定的天線襯底長50mm，寬45mm，微帶線寬度W1等于0.8mm，長度L1等于4.2mm，天線輻射單元寬度W2等于4.4mm，長度L2等于4mm，天線輻射單元的距離L3等于1.1mm。

圖4所示為天線輸入端口反射參數(shù)S11測試結(jié)果，從測試結(jié)果看出該天線在23.45~24.4GHz，950喇叭天線進(jìn)行增益比對。圖5給出了天線方向圖測試結(jié)果，從圖中可以看出該天線主波束與法線夾角為30°，最大增益為4.67 dB，副瓣電平小于-10 dB，半波束寬度為62°，表明所設(shè)計(jì)的天線陣列滿足汽車?yán)走_(dá)的對天線性能的指標(biāo)要求。并且適用于印刷電路板技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)，在很大程度上降低天線的成本，為低成本的毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)的研制奠定基礎(chǔ)。MHz帶寬范圍內(nèi)反射參數(shù)S11小于-10 dB，中心頻率23.85GHz時反射參數(shù)為-27.9 dB，符合工程實(shí)用要求。

圖4 天線輸入端口反射參數(shù)S11

在微波暗室對天線方向圖進(jìn)行測試，并同標(biāo)準(zhǔn)

圖5 天線方向圖

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)的微帶陣列基礎(chǔ)上，采用微帶傳輸線的匹配設(shè)計(jì)，天線陣列單元幅度和相位的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及加載匹配負(fù)載的方法，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、大工作帶寬和主波束的偏角設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明天線尺寸為50mm×45mm，中心工作頻率23.85GHz，工作帶寬950MHz，主波束偏角 30°，半波束角度 62°，是一種較為理想的防撞雷達(dá)天線方式。