用于車載測高雷達的圓極化陣列天線設(shè)計

汪 坤， 廖 欣， 姜 興， 袁亞超， 楊 明

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路路況也越來越復(fù)雜，限高桿、廣告牌安裝較為混亂，車輛與限高桿、山洞、廣告牌等相撞造成的事故也頻頻發(fā)生，隨著新的交通事故的出現(xiàn)，車輛防撞技術(shù)不僅要探測前方障礙物的距離、速度信息，還要兼顧探測路面上方存在安全隱患的障礙目標(biāo)。因此，研究設(shè)計兼顧測距測速的車載測高防撞雷達顯得尤為重要。由于微帶天線具有體積小、質(zhì)量輕、易集成的特點，因而車載防撞雷達天線大多采用微帶陣列天線[1-2]。

目前，車載防撞雷達前端天線基本上都采用線極化的方式設(shè)計。與單一的線極化波相比，圓極化波具有較強的抗雨霧干擾和抑制多徑反射的能力，非常適合應(yīng)用在車載雷達[3-4]。在傳統(tǒng)的微帶陣列天線的基礎(chǔ)上，采用對方形貼片進行合理切角的方式，實現(xiàn)天線的圓極化性能，同時保證了天線結(jié)構(gòu)的緊湊性。

1 雙接收通道比相測角原理

測高的基礎(chǔ)是測角，雙接收通道比相測角法利用2個天線接收到的回波信號之間的相位差進行測角。圖1為雙通道比相測角原理示意圖。其中，θ為來波方向，接收機1和接收機2為雙接收通道，d12為雙接收天線間的距離，φ12為雙通道所接收到信號的相位差。

圖1 雙通道測角原理

結(jié)合圖1可知，

(1)

由式(1)可得來波方向

(2)

其中：λ為雷達工作波長；d12為兩接收天線間的距離，它決定了雷達探測的最大方位角及精度。由式(2)知，在d12已知的情況，通過相位比較可得到φ12，進而得到角度信息。

2 圓極化天線單元的設(shè)計

考慮將發(fā)射天線和接收天線加工在同一塊介質(zhì)板上，發(fā)射天線采用右旋圓極化天線，接收天線為左旋圓極化天線。采用Rogers公司RT/duroid 5880介質(zhì)板，其相對介電常數(shù)εr=2.2，介質(zhì)板厚度h=0.254 mm。發(fā)射天線單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，仿真優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。

圖2 發(fā)射天線單元結(jié)構(gòu)

mm

發(fā)射天線單元的S11仿真結(jié)果如圖3(a)所示，在24～24.25 GHz頻帶，S11均小于-15 dB；圖3(b)為天線的軸比曲線，天線在24～24.25 GHz頻帶軸比小于3 dB，圓極化性能良好；圖3(c)為天線在中心頻率f=24.125 GHz處的主極化(右旋圓極化)和交叉極化(左旋圓極化)的方位面方向圖，發(fā)射天線單元主極化方向增益為7.5 dB，極化隔離度達22.4 dB。

圖3 發(fā)射天線單元仿真結(jié)果

改變發(fā)射單元切角方向即可得到左旋圓極化的接收天線單元，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 接收天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 接收天線單元仿真結(jié)果

接收天線單元的S11仿真結(jié)果如圖5(a)所示，在24～24.25 GHz頻帶，S11均小于-15 dB；圖5(b)為天線的軸比曲線，天線在24～24.25 GHz頻帶軸比小于3 dB，圓極化性能良好；圖5(c)為天線在中心頻率f=24.125 GHz處的主極化(左旋圓極化)和交叉極化(右旋圓極化)的方位面方向圖，接收天線單元主極化方向增益為7.4 dB，極化隔離度達到23.3 dB。

3 串并聯(lián)混合饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

車載防撞雷達一般要求天線的旁瓣電平(SLL)小于-15 dB，采用道爾夫-切比雪夫天線綜合法對各天線單元幅度、相位進行加權(quán)，以獲取陣列天線的最優(yōu)方向圖[5-6]?？紤]到橫向10單元偶數(shù)陣只需給出一邊的激勵電流幅值比，利用道爾夫-切比雪夫算法可計算出從饋電網(wǎng)絡(luò)中心到邊緣的電流幅值比[7]：

I1∶I2∶I3∶I4∶I5=1∶0.88∶0.67∶0.43∶0.26。

(3)

依據(jù)式(3)中的各單元激勵電流幅值比，利用四分之一阻抗變換設(shè)計串并聯(lián)混合饋電網(wǎng)絡(luò)。在CST中對橫向10單元右側(cè)部分設(shè)置電流監(jiān)測點，以便得到各單元電流比值[8]。具體的CST仿真模型如圖6所示。

圖6 10單元饋電網(wǎng)絡(luò)電流監(jiān)測仿真模型

圖7(a)為電流監(jiān)控幅頻仿真結(jié)果。從圖7(a)可看出，在中心頻率24.125 GHz處，各單元電流幅值比為I1∶I2∶I3∶I4∶I5=1∶0.86∶0.75∶0.67∶0.46，這與理論值存在一定誤差，但在后續(xù)天線陣列設(shè)計中已經(jīng)將天線副瓣電平抑制到一個比較低的水平，滿足雷達系統(tǒng)對抗干擾性的要求。圖7(b)為饋線電流監(jiān)控位置處的相頻特性。從圖7(b)可看出，在中心頻率24.125 GHz處，各陣元電流基本滿足同相位的要求。

圖7 10單元橫饋電流監(jiān)控仿真結(jié)果

同理，縱向4單元饋電網(wǎng)絡(luò)從中心到邊緣的電流幅值比為

I1∶I2=1∶0.43，

(4)

其CST仿真模型如圖8所示。

圖8 4單元縱向饋電網(wǎng)絡(luò)電流監(jiān)測仿真模型

圖9 4單元縱饋電流監(jiān)控仿真結(jié)果

圖9(a)為電流監(jiān)控幅頻仿真結(jié)果。從圖9(a)可看出，在中心頻率24.125 GHz處，從饋電網(wǎng)絡(luò)中心到邊緣的電流幅值比為I1∶I2=1∶0.6，這與計算值也存在一定誤差，但在后續(xù)天線陣列設(shè)計中已達到窄主瓣、低旁瓣的要求。圖9(b)為饋線電流監(jiān)控位置處的相頻特性。從圖9(b)可看出，在中心頻率24.125 GHz處，各陣元相位基本相同。

4 一發(fā)二收圓極化微帶陣列天線的設(shè)計

為實現(xiàn)天線的小型化及高隔離度，對天線進行合理布局，經(jīng)過仿真優(yōu)化后，收發(fā)天線的布局如圖10所示。在收發(fā)陣列天線中，發(fā)射天線(TX)與接收天線(RX1)間的距離為dtr=1.7λ，接收天線RX1與RX2之間的距離為d12=1.5λ。整個天線尺寸為90 mm×80 mm。

圖10 收發(fā)天線的布局

圖11 收發(fā)天線實物及測試

5 一發(fā)二收圓極化天線仿真與實測結(jié)果分析

根據(jù)CST2015仿真的最優(yōu)模型，加工得到的天線實物如圖11(a)所示。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試收發(fā)天線的S參數(shù)，并在微波暗室中對天線的遠場特性進行測試，如圖11(b)所示。

圖12 收發(fā)天線仿真與實測結(jié)果

圖12(a)為一發(fā)二收天線的S參數(shù)實測結(jié)果。從圖12(a)可看出，在24～24.25 GHz頻率，收發(fā)天線的反射系數(shù)S11、S22、S33均小于-12 dB，收發(fā)天線間的隔離S21、S31均小于-40 dB，隔離度較高，滿足設(shè)計要求。圖12(b)、(c)為發(fā)射天線與接收天線的軸比曲線。從圖12(b)、(c)可看出，實測與仿真結(jié)果基本吻合，在24～24.25 GHz頻率，軸比均小于3 dB，圓極化性能良好。

圖13為一發(fā)二收天線系統(tǒng)在中心頻率f=24.125 GHz處方向圖仿真與實測結(jié)果。從圖13(a)～(d)可看出，在中心頻率24.125 GHz處，實測發(fā)射天線方位面與俯仰面主極化方向圖3 dB波束寬度分別為9.5°和20.5°，其旁瓣電平分別為-23.5、-17.1 dB。由此可見，運用道爾夫-切比雪夫天線綜合法實現(xiàn)了天線的窄主瓣、低旁瓣特性，且其增益達到22.5 dB，符合設(shè)計要求。由圖13(e)～(l)可看出，實測接收天線1、2方位面與俯仰面方向圖與仿真結(jié)果基本吻合，兩接收天線增益均達到19 dB以上，其方位面主極化方向圖3 dB波束寬度為9.8°，旁瓣電平小于-20 dB，其俯仰面主極化方向圖3 dB波束寬度為35°，滿足設(shè)計需求。

6 結(jié)束語

根據(jù)雙接收通道比相測角的需求，設(shè)計一發(fā)二收微帶陣列天線，通過對方形貼片進行切角實現(xiàn)天線的圓極化性能，并利用道爾夫-切比雪夫綜合算法設(shè)計串并聯(lián)混合饋電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)天線的窄主瓣、低旁特性，合理布局收發(fā)天線，保證天線的小型化及高隔離度。根據(jù)實測結(jié)果可知：收發(fā)陣列天線在24～24.25 GHz頻帶，反射系數(shù)均大于12 dB，軸比均小于3 dB，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求；在中心頻率24.125 GHz處，收發(fā)天線方位面內(nèi)3 dB波束寬度均為9°左右，旁瓣電平均小于-20 dB，收發(fā)天線增益分別為22.5、19.5 dB；收發(fā)天線間的隔離度大于40 dB，隔離度良好。因此，該一發(fā)二收圓極化微帶陣列天線的性能較為優(yōu)良，適合用于車載測高防撞雷達系統(tǒng)。

圖13 收發(fā)天線方向圖仿真與實測結(jié)果對比