雙層寬波束天線設計*

姜 興，王開發(fā)，廖 欣，孫靖虎，王繼恒，楊 明

(1.桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004;2.德賽西威智能交通研究院 有限技術先期研發(fā)部，廣東 惠州 516000)

0 引 言

車載毫米波雷達在汽車主動安全等輔助駕駛中具有重要地位[1-3]。與激光雷達、視頻監(jiān)控等方式相比，毫米波防撞雷達具有全天時全天候的工作方式[4-5]。目前毫米波雷達主要應用的頻段有24 GHz和77 GHz兩個頻段，77 GHz頻段的雷達因具有探測距離更遠、探測精度更高、雷達整機更易實現(xiàn)小型化的特點而擁有巨大的市場潛力。

天線作為雷達中重要的一部分，不同應用的車載防撞雷達對天線的增益和波束寬度要求不同[5-7]。車載角雷達主要用在變道輔助、盲區(qū)監(jiān)測等方面，要求雷達天線具有寬的方位面波束寬度去覆蓋寬的探測區(qū)域。目前應用在車載防撞角雷達的寬波束天線研究較少。文獻[8]設計了一款基于波束賦形的寬波束、增益平坦陣列天線，通過對三個平面線陣進行波束賦形，得出每個線陣的饋電幅度相位，來展寬方位面的3 dB波束寬度。文獻[9]設計了一款工作在24 GHz的寬波束天線，通過在天線的非輻射邊加載蘑菇型結構，使蘑菇型結構的上下邊沿與輻射貼片的邊沿相位相差180°，通過調整輻射貼片大小來達到增大E面的波束寬度，使其波束達到150°。文獻[10]使用兩個發(fā)射天線組陣的方式分別饋入一路高增益窄波束天線和一路低增益寬波束天線，電子開關在兩款天線之間分時工作，通過波束變換達到寬波束探測的目的。文獻[11]通過在微帶陣列輻射貼片上添加寄生貼片增加兩側輻射貼片的能量來達到拓寬波束的效果。

本文針對車載角雷達寬波束天線的需求，設計了一款雙層寬波束天線，在1×10串饋天線的上方加載寄生貼片拓寬天線方位面3 dB波束寬度。天線仿真實測結果較吻合，能夠滿足系統(tǒng)的需求。

1 10單元串饋線陣設計

1.1 低副瓣線陣設計

微帶天線具有剖面低、重量輕、易與電路集成的特點。本設計采用如圖1所示的10單元微帶串饋天線結構，介質基板采用Rogers3003,其相對介電常數(shù)εr=3.0，損耗角正切tanδ=0.001，厚度為0.127 mm。

圖1 微帶串饋線陣

天線貼片單元的長度影響著天線工作的中心頻率，貼片單元的輻射邊寬度影響每個單元的阻抗大小[12]，寬度Wp可以根據(jù)式(1)計算：

(1)

微帶貼片長度與相對有效介電常數(shù)和介質基板厚度的關系為

(2)

根據(jù)相對有效介電常數(shù)，可計算出相對電長度

(3)

利用公式(2)和(3)可以計算出貼片單元的長度L：

(4)

(5)

為實現(xiàn)天線在方位面寬波束、在俯仰面低副瓣的需求，采用道爾夫-切比雪夫(Dolf-Chebyshev)綜合法對線陣進行綜合[13]，以此確定每個貼片的激勵幅度系數(shù)，通過控制每個貼片單元輻射邊的寬度調節(jié)阻抗來調節(jié)電流分布，滿足每個貼片單元所需的功分比。10單元微帶串饋陣列為對稱結構，故只需要給出一側5個貼片單元的電流幅度比即可。由道爾夫-切比雪夫綜合法可得從中心單元到左側邊緣的電流幅度比為I1∶I2∶I3∶I4∶I5=1.0∶0.92∶0.78∶0.59∶0.64,通過式(1)可得最中間貼片單元的寬度為WP,根據(jù)電流比便可得出各個貼片單元的寬度比。線陣各單元具體尺寸如圖1所示。

1.2 10單元串饋天線加工

在77 GHz的高頻段，普通的同軸接頭不能滿足低損耗和高精度的需求。本文設計的WR-12波導轉微帶結構及具體參數(shù)如圖2(a)所示。通過調節(jié)中間貼片的寬度和長度使其在想要的頻段內達到阻抗匹配，其仿真結果如圖2(b)所示，在73.2～78.7 GHz頻段范圍內其回波損耗均小于-10 dB。

圖2 轉接結構及反射系數(shù)圖

本文對10單元串饋線陣進行了加工實測，線陣仿真和加工實物分別如圖3和圖4所示。

圖3 10單元串饋仿真結構

圖4 10單元串饋實物

圖5(a)中給出了10單元串饋天線S參數(shù)仿真和實測對比圖，仿真的天線中心頻率在76.8 GHz，-10 dB阻抗帶寬為1.3 GHz；實測結果顯示天線中心頻率在75.5 GHz,阻抗帶寬為2.5 GHz。圖5(b)、(c)中給出了天線在77 GHz的方位面實測與仿真對比,實測方位面3 dB波束寬度為78.5°；俯仰面3 dB波束寬度為10.9°，副瓣電平為-24.5 dB；實測天線俯仰面3 dB波束寬度為10.6°，副瓣電平-20 dB。仿真天線的最大增益為15.7 dB,實測天線最大增益為13.2 dB。由于高頻段微帶傳輸線和波導轉接頭帶來的損耗，所以天線實測和仿真增益有2.5 dB的損失。

(a)S參數(shù)仿真和實測

(b)H面仿真和實測方向圖

(c)E面仿真和實測方向圖圖5 線陣加工實物仿真實測結果對比

2 雙層扇形寬波束設計

2.1 雙層扇形天線結構

傳統(tǒng)的串饋微帶線陣方位面的3 dB波束寬度在60°～80°之間，1.2節(jié)10單元微帶串饋天線方位面的3 dB波束寬度為78.5°，未能滿足角雷達對天線寬波束的要求。本文設計了一款雙層結構微帶串饋天線，在不影響天線俯仰面波束寬度的情況下可以將方位面的3 dB波束寬度顯著提升。該天線結構如圖6所示，底層為10單元串饋微帶線陣，在該線陣的上方加載寄生帖片，起到展寬方位面波束寬度的作用，其中寄生貼片的寬度為Wr，兩層介質板之間的高度為L。

圖6 雙層扇形寬波束天線結構

2.2 雙層寬波束天線設計

在電磁仿真軟件中分別對加載介質板和加載寄生貼片的雙層天線進行了仿真，并對結果進行對比分析，圖7給出了10單元線陣、加載介質板的雙層天線和加載寄生貼片的雙層天線的S11仿真結果。從圖7中可以看出，10單元線陣諧振點在77 GHz，阻抗帶寬為76～77.7 GHz；雙層寄生貼片天線諧振點在76.8 GHz，阻抗帶寬為75.8～77.8 GHz；加載介質板天線的諧振點在76.7 GHz，阻抗帶寬為75～77.4 GHz。三款天線阻抗帶寬均大于1 GHz且包含77 GHz諧振點，寄生貼片對串饋天線的頻點沒有產(chǎn)生明顯影響。

圖7 三款天線S11對比

圖8給出了三款天線方向圖仿真結果。從圖8(a)中可以看出，單獨加載寄生貼片的天線方位面相比于10單元線陣天線方位面的主輻射方向的波束寬度變窄，增益為15.6 dB，在±80°左右處輻射有所增強，增益增加了3.2 dB,但增益僅為8.2 dB，無法滿足寬波束增益的需求；加載介質板和寄生貼片的天線方位面在邊射方向的輻射電場比原串饋微帶線陣稍有減小，增益為14.3 dB，但在±(45°～70°)處的輻射大大增強，形成一個良好的寬波束輻射，方位面3 dB波束為142.2°。加載介質板和寄生貼片對天線的俯仰面方向圖的影響不大，如圖8(b)所示。

(a)H面方向圖對比

(b)E面方向圖對比圖8 E/H面方向圖對比

2.3 雙層寬波束天線仿真分析

對寄生貼片高度的影響進行仿真，圖9給出了不同高度L對天線方位面方向圖的影響。當高度為1.8 mm時，天線方位面邊射方向上增益為12.6 dB增益,方位面波束寬度為154.2°,但在±(38°～72°)范圍內增益小于10 dB,不能滿足增益要求；高度為2.8 mm時，天線方位面法向方向上增益為14.0 dB,3 dB波束寬度為142.2°;高度為4.0 mm的方位面方向圖最大增益為13.8 dB，方位面3 dB波束寬度為123.8°，副瓣電平為-6.6 dB，不能滿足需求。綜合增益和波束寬度考慮，寄生貼片取高度為2.8 mm。

(a)方位面波束

(b)俯仰面波束

對雙層寬波束天線空間電場分布進行仿真，分布圖如圖10所示。雙層寬波束天線空間場是由串饋微帶線陣的電流源和寄生貼片的感應電流共同產(chǎn)生的，感應電流會隨著空間變化而變化，對串饋天線產(chǎn)生的影響也不一樣，寄生貼片與串饋微帶線陣的距離決定感應電流的大小，寄生貼片感應電流的大小隨著距離的增大而減小。

(a)側視截面感應電場分布箭頭圖

(b)側視截面感應電場大小示意圖

對天線的寄生貼片的寬度Wr也進行了仿真分析，從圖11中可以看到,Wr變化對天線阻抗帶寬的影響甚小。

圖11 寄生貼片寬度對S11的影響

圖12給出了寄生貼片不同線寬Wr對天線方位面波束寬度、俯仰面波束寬度的影響，可見當Wr增大，天線的增益變小，方位面3 dB波束寬度越寬，而俯仰面3 dB波束寬度受到的影響較小。當Wr取0.5 mm時，方位面3 dB波束寬度只有110.4°；當Wr取0.65 mm時，方位面3 dB波束寬度為142.2°，在該范圍內增益均大于11 dB;當Wr取0.9 mm時候，方位面3 dB波束寬度為170.5°，但在±(20°～65°)范圍內出現(xiàn)增益明顯下凹。綜合考慮天線方位面方向圖平坦度、3 dB波束寬度,最后Wr取0.65 mm。圖13為天線的三維方向圖。

(a)H面仿真對比圖

(b)E面仿真對比圖圖12 頂層寄生貼片寬度對方向圖影響

圖13 雙層天線三維方向圖

為展示本文設計天線寬波束效果，表1列舉了雙層寬波束天線與類似寬波束對比。

表1 與同類型天線對比

2.4 雙層天線加工測試

根據(jù)上一節(jié)得到的天線參數(shù)對雙層寬波束天線進行加工和測試，加工實物和測試環(huán)境如圖14所示。

圖14 天線實物和測試場景圖

圖15給出了天線阻抗帶寬仿真和實測結果對比，從S11參數(shù)可以看出仿真和實測結果較吻合，仿真阻抗帶寬為1.5 GHz(76.2～77.7 GHz)，實測阻抗帶寬為1.8 GHz(75.8～77.6 GHz)。加工誤差和高頻段介電常數(shù)的不確定導致實測阻抗帶寬相較仿真往低頻產(chǎn)生了0.4 GHz頻率偏移。

圖15 仿真/實測S11對比

圖16給出了天線方向圖加工和實測的對比數(shù)據(jù)，在中心頻率77 GHz處，雙層寬波束天線的測試增益為10.6 dB,比10單元串饋線陣的實測增益13.2 dB相比降低了2.7 dB。雙層寬波束天線的方位面3 dB波束寬度為134.6°，由于天線制作誤差和測試系統(tǒng)帶來的抖動，與仿真142.2°相差了7.6°，與單一線陣的78.5°相比，方位面3 dB波束寬度增大了56.1°；俯仰面3 dB波束寬度為11.3°，實測與仿真結果大致吻合。測試結果證明了雙層扇形天線在拓展方位面3 dB波束寬度有顯著效果。

(a)H面對比

(b)E面對比圖16 方向圖仿真與實測對比

3 結束語

本文根據(jù)77 GHz車載防撞角雷達寬角探測的需求，針對微帶串饋陣列天線方位面波束寬度不足的問題設計了一款雙層寬波束天線，通過在串饋微帶陣列上面加載寄生貼片和介質基板，極大地拓展了天線方位面的波束寬度，滿足車載角雷達對方位面寬波束的需求，對車載角雷達研制有一定的參考意義。此外，該天線與其他寬波束天線相比具有更高的剖面。下一步將在保證寬波束的前提下進一步研究如何降低其剖面高度。