一種用于車(chē)載雷達(dá)雙波束天線(xiàn)

張杰

【摘 ?要】論文針對(duì)車(chē)載微波雷達(dá)天線(xiàn)對(duì)車(chē)體正后和側(cè)后方同時(shí)高增益的探測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種波束開(kāi)裂的雙波束天線(xiàn)，具有針對(duì)兩個(gè)目標(biāo)區(qū)域高增益探測(cè)的能力。相對(duì)于傳統(tǒng)單波束天線(xiàn)，雙波束天線(xiàn)在兩個(gè)目標(biāo)區(qū)域的增益均提高約6dB，使得雷達(dá)的理論探測(cè)距離提高50%。

【Abstract】Aiming at the detection requirement of the antenna of vehicle mounted microwave radar for high gain at the right rear and side rear the vehicle's body at the same time， the paper designs a dual beam antenna with split beams， which has the ability to detect two target areas with high gain. Compared with the traditional single beam antenna， the gain of the dual beam antenna in the two target areas is increased by about 6dB， which increases the theoretical detection range of the radar by 50%.

【關(guān)鍵詞】車(chē)載微波雷達(dá);雙波束;高增益

【Keywords】vehicle mounted microwave radar; dual beam; high gain

【中圖分類(lèi)號(hào)】TN959 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2020）09-0159-03

1 引言

智能安全駕駛離不開(kāi)微波雷達(dá)傳感器，這些傳感器雷達(dá)一般工作頻段為24～24.25GHz（簡(jiǎn)稱(chēng)24G）以及76～81GHz（簡(jiǎn)稱(chēng)77G），安裝于車(chē)體的各個(gè)位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于汽車(chē)不同區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的感知。

在汽車(chē)的前向常用距離更遠(yuǎn)、分辨率更高的77G雷達(dá)，用于自適應(yīng)巡航（ACC）和緊急制動(dòng)（AEB）。

在汽車(chē)的后向可采用成本相對(duì)更低的24G雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)（BSD）、變道輔助（LCA）、倒車(chē)側(cè)向告警（RCTA）以及開(kāi)門(mén)預(yù)警（DOW）等功能。后向的功能常被要求在一部雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)，即在汽車(chē)的左后角和右后角各裝一部雷達(dá)，兩部雷達(dá)分別覆蓋汽車(chē)左右兩邊。由于這四種功能需要覆蓋的區(qū)域大，且并非連續(xù)區(qū)域，故可以對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)波束采用特殊設(shè)計(jì)手段以提高雷達(dá)能力。

下文就四種功能對(duì)于汽車(chē)來(lái)說(shuō)相對(duì)的位置說(shuō)明如下：

BSD功能要求雷達(dá)可判別汽車(chē)后方0～7m的正后方車(chē)道和臨車(chē)道內(nèi)威脅目標(biāo);

LCA功能要求雷達(dá)可判別汽車(chē)后方0～70m的正后方車(chē)道和臨車(chē)道內(nèi)威脅目標(biāo);

DOW功能要求雷達(dá)可判別汽車(chē)后方0～30m的正后方車(chē)道和臨車(chē)道內(nèi)威脅目標(biāo);

RCTA功能要求雷達(dá)可判別汽車(chē)后方垂直于車(chē)體方向車(chē)道上0～30m的威脅目標(biāo)。

可見(jiàn)，前三種功能要求雷達(dá)的探測(cè)區(qū)域與第四種功能要求的探測(cè)區(qū)域不同，且不連續(xù)。

對(duì)于雷達(dá)安裝來(lái)說(shuō)，為了滿(mǎn)足天線(xiàn)波束對(duì)于實(shí)現(xiàn)四種功能所涉及的兩部分區(qū)域有效覆蓋，一般采用的安裝的夾角與汽車(chē)尾部呈30°～35°。對(duì)于接收天線(xiàn)，雷達(dá)常采用寬波束設(shè)計(jì)，以覆蓋全部區(qū)域。對(duì)于發(fā)射天線(xiàn)而言，若仍然采用與接收天線(xiàn)相同的寬波束設(shè)計(jì)，則會(huì)使雷達(dá)輻射能量大部分集中到汽車(chē)的側(cè)后方，這也是兩個(gè)需要覆蓋區(qū)域之間的位置，輻射能量未能得到更加有效的利用。故需要對(duì)雷達(dá)的發(fā)射天線(xiàn)波束進(jìn)行針對(duì)性的賦形設(shè)計(jì)，以保證發(fā)射天線(xiàn)在兩個(gè)需要的覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)增益最大化。

針對(duì)此問(wèn)題，張寧、趙宇楠等人曾在“射頻百花潭”發(fā)表文獻(xiàn)[1]，采用粒子群算法（POS）對(duì)六列微帶天線(xiàn)的激勵(lì)幅度和相位進(jìn)行了優(yōu)化，改善了雷達(dá)天線(xiàn)照射到實(shí)現(xiàn)四種功能所需的兩個(gè)覆蓋區(qū)域，但存在以下兩點(diǎn)缺陷：

第一，粒子群算法（POS）是一種優(yōu)化算法，是一種隨機(jī)搜索算法，需要復(fù)雜的編程、合理的初始值設(shè)置以及合理的適應(yīng)度建立，才可能獲得優(yōu)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，難度較大，研制周期長(zhǎng)。

第二，文中優(yōu)化的賦形方向圖結(jié)果在兩個(gè)覆蓋區(qū)域之間的位置未能形成較高的抑制，增益仍很高，天線(xiàn)輻射能量未能得到有效的利用。

另外，形成雙（多）波束的方式是矩陣饋電，如譚茜等人所述[2]，采用矩陣饋電方式可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)波束，但同時(shí)需要多個(gè)饋電通道，如兩個(gè)波束則這兩個(gè)波束的射頻通道是獨(dú)立的。

本文提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，用以得到汽車(chē)后向雷達(dá)四種功能覆蓋的優(yōu)化波形，具備設(shè)計(jì)周期短、輻射效率高等特點(diǎn)。

2 雙波束天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法

本文針對(duì)現(xiàn)有賦形算法復(fù)雜的缺陷，提出一種簡(jiǎn)單明了的車(chē)載雷達(dá)天線(xiàn)波束賦形方法。本文采取的技術(shù)方案是在形成多波束維度天線(xiàn)組陣，確定欲形成的兩個(gè)波束指向角θ1和θ2。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文根據(jù)此方法設(shè)計(jì)了一款微帶形式的車(chē)載雷達(dá)天線(xiàn)。

第一，根據(jù)雷達(dá)天線(xiàn)具體要求確定天線(xiàn)所用介質(zhì)型號(hào)和疊層，示意圖見(jiàn)圖1。

金屬層包括：天線(xiàn)層（Top）、金屬地板層（GND）、射頻饋電層（Bottom）;介質(zhì)層包括：0.254mm厚的Rogers4350B、0.485mm厚的FR4、0.1mm厚的Rogers4350。

圖1 ?天線(xiàn)介質(zhì)疊層

第二，設(shè)計(jì)組陣用單列微帶天線(xiàn)，單列天線(xiàn)采用中心饋電的串聯(lián)10個(gè)單元，單元饋電按照副瓣25dB的Taylor加權(quán)方式，從中心到邊緣依次降低。

第三，根據(jù)雷達(dá)功能需求，以及雷達(dá)裝車(chē)夾角確定天線(xiàn)波束指向，見(jiàn)圖2。本文中，雷達(dá)法向與車(chē)體后邊沿夾角35°（12），根據(jù)雷達(dá)功能覆蓋區(qū)域RCTA和BSD/LCA/DOW覆蓋，估算雷達(dá)天線(xiàn)波束A需偏離雷達(dá)法向32°（BSD等區(qū)域），天線(xiàn)波束B(niǎo)需偏離雷達(dá)法向-38°（RCTA區(qū)域）。

此處控制A波束和B波束的幅度比例，選擇μ=0.75。

第五，設(shè)計(jì)饋電功分器。根據(jù)上一步驟中計(jì)算得到的波束A+B的幅度相位，設(shè)計(jì)天線(xiàn)陣饋電功分器，見(jiàn)圖3。通過(guò)控制微帶線(xiàn)寬調(diào)節(jié)饋電幅度，通過(guò)調(diào)整合路饋電點(diǎn)到各個(gè)支路之間的路徑長(zhǎng)短控制饋電相位。同時(shí)，為減少相位誤差影響，將天線(xiàn)陣分為兩兩一組。其中，第一組和第三組內(nèi)兩天線(xiàn)鏡像對(duì)稱(chēng)，饋電點(diǎn)相位相差180°。

第六，通過(guò)仿真軟件仿真獲得六元天線(xiàn)陣形成的雙波束方向圖，見(jiàn)圖4。其中，一條曲線(xiàn)是單列天線(xiàn)方向圖，另一條曲線(xiàn)是根據(jù)計(jì)算幅度和相位獲得的雙波束方向圖。由雙波束天線(xiàn)方向圖曲線(xiàn)可見(jiàn)，A波束指向+32°附近，B波束指向-38°附近，方向圖最大值指向偏差是由于組陣維單元較少的緣故。波束A、B對(duì)于BSD/LCA/DOW、RCTA覆蓋區(qū)域的覆蓋圖見(jiàn)圖5，相對(duì)于單元天線(xiàn)波束的寬波束覆蓋（圖5中實(shí)線(xiàn)方向圖），雙波束方向圖（圖4帶三角形實(shí)線(xiàn)方向圖）在關(guān)注區(qū)域具有更高的增益覆蓋。

第七，將天線(xiàn)增益轉(zhuǎn)換到雷達(dá)探測(cè)距離，雙波束天線(xiàn)相對(duì)于單波束天線(xiàn)在探測(cè)距離方面有明顯的提高。在保證RCTA探測(cè)區(qū)域滿(mǎn)足30m距離的基礎(chǔ)上，將LCA的探測(cè)距離由原來(lái)的45m提高到75m。

4 結(jié)論

本文提出了一種雙波束陣列天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。該方法相對(duì)于傳統(tǒng)的通過(guò)優(yōu)化算法方式線(xiàn)波束賦形的方式，具有方便簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。實(shí)例通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)了一款用于車(chē)載雷達(dá)后向用途的角雷達(dá)天線(xiàn)陣設(shè)計(jì)，通過(guò)公式計(jì)算方便地獲得了用于控制六元陣列的饋電幅度相位，通過(guò)仿真驗(yàn)證，天線(xiàn)方向圖形成了預(yù)期的兩個(gè)不同指向波束，一個(gè)波束指向32°，另一個(gè)波束指向-38°。雙波束天線(xiàn)相對(duì)于單天線(xiàn)的寬波束覆蓋，在需要覆蓋的區(qū)域具有更高的增益，使得雷達(dá)有效探測(cè)距離明顯提高。

【參考文獻(xiàn)】

【1】張寧，趙宇楠，張枝高，等.一種用于汽車(chē)防撞雷達(dá)的波束賦形陣列天線(xiàn)[C]//中國(guó)電子學(xué)會(huì)天線(xiàn)分會(huì).2017年全國(guó)天線(xiàn)年會(huì)論文集（上冊(cè)）.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2017：288-291.

【2】譚茜，陳付昌，陳繼鵬.基于改進(jìn)的Butler矩陣饋電的寬帶雙波束天線(xiàn)陣[C]//中國(guó)電子學(xué)會(huì)天線(xiàn)分會(huì).2019年全國(guó)天線(xiàn)年會(huì)論文集.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2019：1111-1113.