用于車(chē)載測(cè)高雷達(dá)的陣列天線設(shè)計(jì)

吳 斌 姜 興 廖 欣 李曉峰

(桂林電子科技大學(xué) 廣西桂林 541004)

0 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，道路上的限高桿、廣告牌安裝較為混亂，卡車(chē)、大巴車(chē)等大型車(chē)輛與限高桿、涵洞、廣告牌等相撞造成的事故也頻頻發(fā)生。為了避免卡車(chē)、大巴車(chē)等大型車(chē)輛與限高杠、涵洞等障礙物的碰撞，車(chē)載雷達(dá)不僅需要探知前方目標(biāo)的速度、距離等信息，還需要探測(cè)目標(biāo)的高度信息，從而給駕駛員提供預(yù)警[1-2]。因此，急需研究能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)道路交通情況，感知車(chē)輛周?chē)繕?biāo)速度、距離及高度等信息的車(chē)載測(cè)高防撞雷達(dá)。由于毫米波受惡劣環(huán)境因素影響小、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，并且具有較強(qiáng)的抗雨霧干擾和抑制多徑反射的能力，已成為車(chē)載雷達(dá)應(yīng)用頻段首選[3]。因微帶天線便于與射頻電路集成等特點(diǎn)，因而本文車(chē)載測(cè)高防撞雷達(dá)天線采用微帶天線作為輻射元件。

1 雙通道比相法測(cè)高原理

雷達(dá)測(cè)角的常用方法是比相位法，主要是通過(guò)提取接收不同回波信號(hào)中的相位信息，通過(guò)數(shù)據(jù)后處理得到待測(cè)目標(biāo)高度信息，如果存在雜波等因素對(duì)回波信號(hào)干擾也不會(huì)影響對(duì)相位信息的提取。比相法利用不同接收天線獲取的回波信號(hào)之間相位差進(jìn)行測(cè)角。圖1為比相法原理圖。其中，θ為回波方向，d12為接收天線1、2之間的距離，φ12為兩者的相位差[4]。

圖1 比相法測(cè)角原理圖

結(jié)合圖1可知，

(1)

由式(1)可得來(lái)波方向

(2)

其中λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)。由式(2)知，在d12為已知量時(shí)，通過(guò)相位計(jì)對(duì)接收天線1、2接收信號(hào)進(jìn)行比較可得相位差信息，從而數(shù)據(jù)后處理得到目標(biāo)高度信息[5]。

2 24 GHz串饋微帶收發(fā)線陣設(shè)計(jì)

由于微帶貼片天線易于與射頻電路集成和加工工藝成熟等特性，線陣采用微帶天線作為輻射單元。因測(cè)高要求及不出現(xiàn)無(wú)模糊問(wèn)題，采用1×8單元作為發(fā)射線陣，接收線陣采用1×3單元。為了使天線獲得較低的副瓣電平，線陣采用道爾夫-切比雪夫陣列綜合法進(jìn)行饋電。在副瓣電平為定值后通過(guò)對(duì)微帶貼片阻抗的設(shè)計(jì)，從而獲得各輻射貼片的功率。因線陣結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，故只需計(jì)算一半電流比即可[6]。在SLL=-25 dB時(shí)，發(fā)射線陣貼片從邊緣到中心的電流幅值比為I1∶I2∶I3∶I4=0.38∶0.59∶0.84∶1，接收線陣貼片電流幅值比為：I1∶I2=0.56∶1，由I1∶I2∶…∶In-1∶In=Wp1∶Wp2∶…∶Wpn-1∶Wpn可知各貼片寬度[7]。

考慮到將發(fā)射天線和接收天線加工在同一塊介質(zhì)板上，采用Rogers公司Rogers 4350B介質(zhì)板，其相對(duì)介電常數(shù)εr=3.66，介質(zhì)板厚度h=0.254 mm。收發(fā)線陣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過(guò)仿真軟件CST2018對(duì)收發(fā)線陣仿真后，收發(fā)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-10 dB；圖3(b)為收發(fā)天線的方向圖，發(fā)射線陣俯仰面3 dB波束寬度為15.4°，接收線陣俯仰面3 dB波束寬度為38.5°。

圖2 收發(fā)線陣結(jié)構(gòu)

表1 收發(fā)線陣結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

圖3 收發(fā)線陣仿真結(jié)果

3 12元饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為了天線水平面獲得較低的副瓣以避免雜波、噪聲等因素的影響及天線的窄主瓣、高增益特性，本文采用切比雪夫天線綜合法對(duì)12元饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因12單元饋電網(wǎng)絡(luò)是結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的，只需計(jì)算一半電流幅值比。在SLL=-25 dB時(shí)，從饋電網(wǎng)絡(luò)中心到邊緣的電流幅值比：I1∶I2∶I3∶I4∶I5∶I6=1∶0.93∶0.80∶0.64∶0.46∶0.42。對(duì)12元饋電網(wǎng)絡(luò)仿真模型設(shè)置電流監(jiān)測(cè)器，來(lái)觀測(cè)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值以便后續(xù)的優(yōu)化[8]。12元饋電網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖4所示。

圖5(a)為各端口電流幅值仿真結(jié)果。從圖5(a)可看出，在中心頻點(diǎn)處，各端口電流幅值比為I1∶I2∶I3∶I4∶I5∶I6=1∶0.921∶0.756∶0.56∶0.38∶0.26，這與設(shè)計(jì)值略有點(diǎn)偏差，但通過(guò)與線陣組陣后，陣列天線的副瓣滿(mǎn)足低副瓣要求，表明該饋電網(wǎng)絡(luò)是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的。圖5(b)為各端口電流相頻特性仿真結(jié)果。從圖5(b)可看出，各端口電流基本相位一致。

圖4 12單元饋電網(wǎng)絡(luò)電流監(jiān)測(cè)仿真模型

圖5 12單元端口電流幅頻、相頻仿真結(jié)果

4 24 GHz一發(fā)兩收陣列天線設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)收發(fā)天線之間距離合理設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足天線小型化需求同時(shí)避免了天線之間的耦合影響，一發(fā)兩收陣列天線尺寸為113mm×160 mm，如圖6所示。發(fā)射天線與接收天線1和兩接收天線之間的距離分別為y1、d12(y1=d12=2.58λ，λ為中心頻率工作波長(zhǎng))。

圖6 收發(fā)天線的布局

5 24 GHz一發(fā)兩收陣列天線仿真與實(shí)測(cè)

通過(guò)對(duì)一發(fā)兩收陣列天線的優(yōu)化仿真，最終定版并進(jìn)行了加工，天線實(shí)物如圖7(a)所示。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)收發(fā)天線的S參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)微波暗室測(cè)試了天線的方向圖，如圖7(b)所示。

圖7 收發(fā)天線實(shí)物及測(cè)試

圖8為收發(fā)天線S參數(shù)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比，在工作頻段內(nèi)，收發(fā)天線的反射系數(shù)S11、S22、S33均<-10 dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖9為一發(fā)兩收天線在中心頻點(diǎn)方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖9中可知，發(fā)射天線方向圖實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果基本一致，發(fā)射天線方位面與俯仰面3 dB波束寬度分別為9.7°和13.6°，其旁瓣電平<-15 dB。由圖10(a)、圖10(b)可看出，接收天線1、2方位面與俯仰面方向圖實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果基本吻合，兩接收天線俯仰面3 dB波束寬度為33°，旁瓣電平<-20 dB，方位面3 dB波束寬度均在10.4°左右，滿(mǎn)足24GHz測(cè)高雷達(dá)設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)線陣采用串饋的方式，同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)利用切比雪夫天線綜合法設(shè)計(jì)以及收發(fā)天線間距合理設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足天線性能的同時(shí)也避免天線之間的耦合影響，設(shè)計(jì)了一發(fā)兩收微帶陣列天線。對(duì)陣列天線進(jìn)行了加工和實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)收發(fā)陣列天線在工作頻段內(nèi)反射系數(shù)均<-10 dB，收發(fā)天線方位面3 dB波束寬度實(shí)測(cè)結(jié)果均在10°左右，副瓣電平<-20 dB，符合設(shè)計(jì)要求。因此，該一發(fā)兩收微帶陣列天線的性能滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)需求，適合用于車(chē)載測(cè)高防撞雷達(dá)系統(tǒng)。

圖8 收發(fā)天線S參數(shù)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

圖9 TX實(shí)測(cè)與仿真方向圖

圖10 RX1、RX2實(shí)測(cè)與仿真方向圖