一種用于交通測(cè)速的毫米波天線陣的設(shè)計(jì)

林 鑫，邵曉龍，黃 一，胡俊毅，李麗嫻

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

一種用于交通測(cè)速的毫米波天線陣的設(shè)計(jì)

林 鑫，邵曉龍，黃 一，胡俊毅，李麗嫻

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

基于交通測(cè)速雷達(dá)高精度、輕型化和小型化等要求，給出了以一種可用于交通測(cè)速的毫米波天線陣的設(shè)計(jì)。天線陣采用串并混合饋電方式，對(duì)天線單元以及饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，對(duì)天線陣進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)和加工驗(yàn)證。天線陣采用串、并聯(lián)方式進(jìn)行饋電，從而實(shí)現(xiàn)天線單元幅度的泰勒分布，使得天線陣在24～24.25 GHz的工作頻段內(nèi)，在E面和H面均獲得小于-20 dB的低副瓣性能。整部天線陣具有輕型化、低副瓣和高增益等特點(diǎn)，滿足作為交通測(cè)速雷達(dá)的需求。

串并混合饋電；泰勒分布；低副瓣；毫米波

0 引言

隨著交通安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻，智能交通系統(tǒng)被越來越多地應(yīng)用[1]。交通測(cè)速雷達(dá)以其測(cè)速精度高、設(shè)備輕便、成本適中、安裝維護(hù)方便和全天候等優(yōu)點(diǎn)已成為目前技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。天線陣作為毫米波測(cè)速雷達(dá)的重要組成部分，也是構(gòu)成系統(tǒng)成本的一個(gè)重要組成部分。

實(shí)用的毫米波天線通常可分為2類：① 以傳統(tǒng)天線為基礎(chǔ)的高增益定向天線，如反射面天線、喇叭天線等；② 新型的毫米波天線，如表面波天線、微帶天線等[2]。拋物面天線或喇叭口天線體積較大，重量較重，越來越無法滿足交通測(cè)速雷達(dá)小型化、輕型化等要求。因此，微帶天線具有重量輕、易集成、可批量化生產(chǎn)以及價(jià)格低等眾多優(yōu)點(diǎn)使其成為理想的天線形式。

本文提出了一種用于交通測(cè)速的毫米波雷達(dá)天線陣的設(shè)計(jì)，其具有輕型化、高增益和低副瓣等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的測(cè)速雷達(dá)天線方式。

1 總體設(shè)計(jì)思路

毫米波天線陣可以分解為天線單元與饋電網(wǎng)絡(luò)2個(gè)部分。根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]所述，微帶矩形貼片單元具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工和便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此天線陣中的天線單元采用矩形貼片單元形式；根據(jù)天線原理，可以知道面陣的方向圖由橫向(水平方向)線陣和縱向(垂直方向)線陣的方向性決定[5]。因此饋電網(wǎng)絡(luò)可以分為行饋和列饋2個(gè)部分，行饋和列饋各個(gè)端口功率按照泰勒分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足低副瓣要求。通過對(duì)行饋和列饋的獨(dú)立設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)天線陣H面與E面方向圖的副瓣均小于-20 dB的要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 天線單元設(shè)計(jì)

天線單元采用矩形貼片單元形式，如圖1所示。

圖1 矩形貼片單元示意

天線單元采用微帶線饋電。天線選用材料為TLX-6，其介電常數(shù)εr=2.55，板厚h=0.5 mm。為了與饋電網(wǎng)絡(luò)匹配，饋線的寬度t=0.2 mm，其特性阻抗為120 Ω。

對(duì)于介質(zhì)基片厚度為h，諧振頻率為f0，且要求矩形天線單元輻射效率較高的條件下，其a，b和l應(yīng)滿足如下公式[6]：

在此基礎(chǔ)上，采用HFSS對(duì)槽寬w進(jìn)行優(yōu)化，得w=0.5 mm。優(yōu)化后的天線駐波比如圖2所示。

圖2 矩形貼片單元駐波比曲線

2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，天線陣列使用串并混合饋電方式進(jìn)行饋電。根據(jù)天線原理，可以知道面陣的方向圖由行饋(水平方向)線陣和列饋(垂直方向)線陣的方向性決定，因此，饋電網(wǎng)絡(luò)采用行饋網(wǎng)絡(luò)和列饋網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立設(shè)計(jì)。

為了使天線單元都是同相饋電，波束指向邊射方向，天線單元行列間距均為微帶線中傳輸?shù)囊粋€(gè)波長(zhǎng)λg[7]。

λg應(yīng)滿足如下公式[8]：

式中，h為介質(zhì)板厚度；W為饋線寬度，取W=1 mm；λg約為8.7 mm，即天線單元行列間距均為8.7 mm。

2.2.1 行饋設(shè)計(jì)

根據(jù)工程要求，天線陣面可利用尺寸為200 mm×150 mm，因此行饋中的單元個(gè)數(shù)為：200/8.7≈22。

在工程設(shè)計(jì)中，一般采用泰勒綜合法實(shí)現(xiàn)天線低副瓣特性[9]。為了使行饋線陣方向圖副瓣電平小于-20 dB，考慮到實(shí)際工程誤差，理論上按照副瓣-22 dB進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)線陣各單元泰勒分布公式，可以獲得22個(gè)單元輸入泰勒分布值，其值如表1所示。

表1 行饋網(wǎng)絡(luò)歸一化電流

行饋網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)串饋電路再并饋而成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 行饋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

根據(jù)表1，采用1/4阻抗變換技術(shù)[10]，使用HFSS軟件，對(duì)行饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。行饋是左右對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，行饋網(wǎng)絡(luò)1～11端口的幅相分布如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，行饋在工作頻帶內(nèi)，幅度起伏小于1 dB，各個(gè)端口幅度滿足泰勒分布；由圖5可以看出，行饋在中心頻點(diǎn)24.125 GHz處，歸一化相位差小于10°，由于行饋是采用串饋方式，因此，在高頻與低頻處，歸一化相位呈準(zhǔn)等差分布。

圖4 行饋網(wǎng)絡(luò)各端口插損幅度分布

圖5 行饋網(wǎng)絡(luò)各端口歸一化相位分布

2.2.2 列饋設(shè)計(jì)

列饋網(wǎng)絡(luò)同樣采用泰勒綜合法實(shí)現(xiàn)天線低副瓣特性。饋中的單元個(gè)數(shù)為：150/8.7≈16。其歸一化泰勒分布值如表2所示。

表2 列饋網(wǎng)絡(luò)歸一化電流

列饋網(wǎng)絡(luò)同樣由2個(gè)串饋電路再并饋而成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 列饋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

根據(jù)表2，采用1/4阻抗變換技術(shù)，使用HFSS軟件，對(duì)列饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖6中列饋網(wǎng)絡(luò)共有32出口，其是上下左右對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，列饋網(wǎng)絡(luò)中1～8端口的幅相分布如圖7和圖8所示。由圖7可以看出，列饋在工作頻帶內(nèi)，幅度起伏小于0.5 dB，各個(gè)端口幅度滿足泰勒分布；如圖8所示，列饋在中心頻點(diǎn)24.125 GHz處，歸一化相位差小于5°，由于列饋同樣是采用串饋方式，因此，在高頻與低頻處，歸一化相位也呈準(zhǔn)等差分布。

圖7 列饋網(wǎng)絡(luò)各端口插損幅度分布

圖8 列饋網(wǎng)絡(luò)各端口歸一化相位分布

3 天線陣面實(shí)現(xiàn)以及應(yīng)用分析

天線陣實(shí)物全圖以及局部放大圖如圖9所示。

圖9 天線陣面實(shí)物

天線陣面行饋上連接矩形貼片單元，列饋上連接行饋。為了使天線單元對(duì)于中間列饋的互耦影響一致，天線陣面上下2部分呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致上下2部分天線單元相差180°，因此，如圖9(b)所示，為了使天線單元輻射的電流保持同相，在饋電點(diǎn)到上下陣面引入半波長(zhǎng)電長(zhǎng)度差，即

a2-a1=λg/2=4.35 mm。

天線陣面實(shí)測(cè)駐波如圖10所示。天線陣面在24～24.25 GHz的工作帶寬內(nèi)，其駐波均小于1.5，匹配良好。

圖10 天線陣面駐波

天線陣面低、中和高3個(gè)頻點(diǎn)H面和E面方向圖如圖11所示。天線陣面測(cè)試各個(gè)參數(shù)指標(biāo)如表3所示。天線陣面H面和E面副瓣均小于-20 dB，天線增益大于27 dB，其具有高增益、低副瓣等優(yōu)點(diǎn)。

圖11 天線陣面方向圖

頻率/GHz增益/dBH面E面3dB波寬/(°)副瓣/dB3dB波寬/(°)副瓣/dB2427．64．28-24．36．42-25．524．12527．74．19-22．76．50-24．024．2527．54．04-22．56．66-22．5

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種毫米波交通測(cè)速雷達(dá)天線陣的設(shè)計(jì)。天線陣的單元采用矩形貼片單元形式，饋線網(wǎng)絡(luò)采用串并混合饋電網(wǎng)絡(luò)。在24～24.25 GHz的工作帶寬內(nèi)，天線陣駐波小于1.5，匹配良好；其H面和E面副瓣均小于-20 dB，天線增益均大于27 dB，具有高增益、窄波束和低副瓣等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了作為交通測(cè)速雷達(dá)的使用要求，目前，該天線陣已經(jīng)在某型交通測(cè)速雷達(dá)中得到應(yīng)用。

[1] 趙仲郎.交通測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[2] 林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：1 064.

[3] JAMESJ R,HALL P S.Handbook of Microstrip Antennas (Vol.I) [M].London:Peter Peregrinis,1989:815-816.

[4] 鐘順時(shí).天線理論與技術(shù)[M].西安：電子科技大學(xué)出版社，2011：261-262.

[5] MILLIGAN T A.Modern Antenna Design (Second Edition) [M].New York:Wiley Publishing,2012:88-89.

[6] 阮志彬，趙建軍，劉景順.矩形微帶天線的設(shè)計(jì)及分析[J].無線電工程，2000，30(1)：38-40.

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[8] 廖承恩．微微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002：113-115.

[9] 李麗嫻，胡俊毅，王建中．一種新型C波段輕型低副瓣線陣天線[J]．無線電工程，2014，44(10)：55-58．

[10] POZARD M.Microwave Engineering (Third Edition) [M].New York:Wiley Publishing,2006:62-63.

林 鑫 男，(1983—)，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計(jì)。

邵曉龍 男，(1988—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計(jì)。

Design of a Millimeter-wave Array for Traffic Speed-measuring

LIN Xin,SHAO Xiao-long,HUANG Yi,HU Jun-yi,LI Li-xian

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109，China)

Under the necessity of high accuracy,low weight and small scale in traffic speed-measuring radar,the design of a millimeter-wave array for traffic speed-measuring is proposed in the paper.The array is fed with serial and parallel mode.Firstly,the antenna element and the network are designed and optimized separately.Then the array is designed and fabricated with integrative way.The Taylor distribution of elements amplitude is achieved by design of serial and parallel feed mode.The millimeter-wave array achieves low side lobe level of -20 dB in both E-plane and H-plane in Ka frequency range (24～24.25 GHz).This millimeter-wave array provides low weight,low side lobe level and high antenna gain,which is already applied in a traffic speed-measuring radar system.

series and parallel feed mode;Taylor distribution;low_side lobe;millimeter-wave

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.17

林 鑫,邵曉龍,黃 一,等.一種用于交通測(cè)速的毫米波天線陣的設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2017,47(5):71-74.[LIN Xin,SHAO Xiaolong,HUANG Yi,et al.Design of a Millimeter-wave Array for Traffic Speed-measuring[J].Radio Engineering,2017,47(5):71-74.]

2017-02-22

上海航天技術(shù)研究院核攀基金資助項(xiàng)目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2017)05-0071-04