小型化汽車防撞雷達(dá)封裝天線

劉煒宸，張祥軍，汪建鋒

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

在過去的幾十年里，伴隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展迅速，經(jīng)濟(jì)效益迅速增長，人們的汽車總持有量大幅增加，由于汽車數(shù)量的增加，每年發(fā)生的交通事故也在增加，因交通事故引發(fā)的財(cái)產(chǎn)損失只增不減。怎樣讓人們?cè)谙硎芷嚱o生活帶來便利的同時(shí),降低交通事故發(fā)生的概率，提高汽車可靠性和安全性，已經(jīng)成為各研究人員與各大汽車廠商的主要關(guān)注點(diǎn)。車載防撞雷達(dá)作為可有效預(yù)防交通事故的設(shè)備，逐漸成為研究人員們研究的熱點(diǎn)并引起了消費(fèi)者廣泛的關(guān)注。車載防撞雷達(dá)一般工作在3個(gè)頻段：24,35,77 GHz。工作在24 GHz頻段的毫米波汽車防撞雷達(dá)一般安裝在汽車后部，可實(shí)現(xiàn)變道輔助(LCA)、盲區(qū)監(jiān)測(BSD)以及倒車側(cè)向警告(RCTA)等功能。工作在35 GHz頻段的毫米波汽車防撞雷達(dá)一般作為軍事使用應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。而工作在77 GHz頻段的毫米波汽車防撞雷達(dá)一般安裝在汽車前部，可用于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航(ACC)、緊急制動(dòng)(AEB)、適應(yīng)巡航(ACC)等功能[1]。

近年來，基于封裝天線(antenna in package,AiP)技術(shù)的汽車防撞雷達(dá)吸引了一些研究學(xué)者廣泛關(guān)注。由于基礎(chǔ)微帶貼片天線的尺寸限制，該類型天線的單元增益普遍處于較低水平，單一的天線結(jié)構(gòu)基本很難滿足汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的探測需求。例如，在文獻(xiàn)[2]中所設(shè)計(jì)的天線為了增加頻率穩(wěn)定性并且提高天線方向圖效果，通常通過在PCB中刻蝕多層寄生貼片的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在文獻(xiàn)[3]中實(shí)現(xiàn)了一種可用于24 GHz頻段的超寬帶陣列天線，其相對(duì)阻抗帶寬能夠達(dá)到25 %，該天線適用于短距離汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]顯示了通過改變單元的位置結(jié)構(gòu)與饋電方式等方法來有效降低陣列天線的旁瓣電平，此種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減少旁瓣對(duì)探測結(jié)果的干擾?？捎糜?7 GHz頻段短距離汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]的設(shè)計(jì)減小了汽車?yán)走_(dá)在進(jìn)行短距離目標(biāo)探測時(shí)的盲區(qū)范圍，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)采用Franklin陣列的形式在保證天線在E面方向的方向性的前提下，有效展寬了其H面方向上的波束寬度。此外，文獻(xiàn)[6～8]中還將SIW技術(shù)用于汽車?yán)走_(dá)天線及射頻前端的設(shè)計(jì)上，與其他陣列相比，SIW縫隙陣列天線便于集成，因此,所需要的尺寸更小。

本文提出一種工作在77 GHz的毫米波汽車防撞雷達(dá)天線，該雷達(dá)天線實(shí)現(xiàn)了高增益、較寬的波束，以保證天線探測有足夠遠(yuǎn)的距離和足夠?qū)挼膹V角范圍，從而保證行車安全。本文的設(shè)計(jì)則采用AiP技術(shù)，該技術(shù)是過去近20年來為適應(yīng)系統(tǒng)級(jí)無線芯片出現(xiàn)所發(fā)展起來的天線解決方案。如今AiP技術(shù)已成為77 GHz無線通信和手勢雷達(dá)系統(tǒng)的主流天線技術(shù)。本文所提出的天線可以有效地作用于77 GHz汽車?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)中。使用AiP將整個(gè)收發(fā)器集成在一個(gè)芯片之中，該天線與信號(hào)處理芯片一起構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)射頻前端。

1 天線設(shè)計(jì)與分析

所提出的防撞雷達(dá)發(fā)射天線3D模型如圖1所示，而防撞雷達(dá)四通道發(fā)射天線3D模型如圖2所示，由3層金屬和2層基底間隔組合而成，在本文的設(shè)計(jì)中，考慮到介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)及損耗隨頻率變化的特性，選擇金屬層相對(duì)介電常數(shù)為3.38，損耗正切角為0.001，金屬層厚度均為15 μm，尺寸為5 000 μm×9 000 μm×185 μm。

圖1 防撞雷達(dá)天線單元結(jié)構(gòu)

圖2 整體防撞雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)

由于接地層和貼片元件之間的基板厚度很薄，天線的輻射效率會(huì)很低，并且大部分能量由于導(dǎo)體和介電損耗而耗散。所以，設(shè)計(jì)時(shí)在貼片元件下方引入一個(gè)特殊金屬層來改善天線的性能。在本文所述方法中，為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，天線采用同軸加共面波導(dǎo)(CPW)的復(fù)合饋電方式。

最底層貼片采用的是共面波導(dǎo)，圖3為底層共面波導(dǎo)的尺寸與形狀，共面波導(dǎo)蝕刻在汽車防撞天線的接地平面上，耦合由縫隙完成，共面波導(dǎo)采用直接饋電，很有效地屏蔽了周圍電磁場。共面波導(dǎo)饋電可以具有更寬的工作頻帶，加工方便，且僅需要單一金屬層，而且，其輻射的遠(yuǎn)區(qū)場方向圖具有更好的對(duì)稱性。天線上層部分的主輻射貼片，通過同軸線與底層共面波導(dǎo)相連接，因此，共面波導(dǎo)饋電通過同軸線直接給主輻射貼片上，由主輻射貼片進(jìn)行耦合饋電。敷銅層厚度為15 μm。因?yàn)樾〉慕殡姵?shù)可以減少諧振腔中儲(chǔ)存的電磁能量，從而降低Q值，展寬帶寬，而且基片厚度太厚的話會(huì)激勵(lì)起更多的表面波模式，并且改變方向性，所以一般毫米波頻段天線都會(huì)選取低介電常數(shù)的薄介質(zhì)基板。

圖3 底層共面波導(dǎo)貼片

為了減少外界對(duì)防撞天線的影響，并增加天線帶寬，在天線旁邊放置許多金屬化通孔，抑制能量損耗，從而實(shí)現(xiàn)高效率的天線定向輻射。如圖4所示，其中上下部分即為金屬化通孔。另外通過優(yōu)化天線的間距、長度和寬度，實(shí)現(xiàn)滿足寬帶和高增益性能的天線陣列。精心設(shè)計(jì)天線的所有參數(shù)可以使得對(duì)天線的性能影響最小化。天線模型的諧振頻率約77.0 GHz，AiP將整個(gè)天線和其他必要器件集成在一個(gè)芯片之中，該天線與信號(hào)處理芯片一起構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)射頻前端。

圖4 防撞雷達(dá)天線三視圖模型

圖5為汽車防撞雷達(dá)天線各項(xiàng)參數(shù)最佳尺寸的回波損耗，即S11。從圖5中可以清楚看到,此時(shí)的諧振頻率為77.0 GHz，帶寬為76.55～77.57 GHz之間，涵蓋了77 GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的要求，滿足應(yīng)用要求。

圖5 防撞雷達(dá)天線駐波仿真與測量結(jié)果

通過優(yōu)化得到天線的結(jié)構(gòu)最優(yōu)質(zhì)值，3個(gè)介質(zhì)層厚度分別為H1=80 μm，H2=75 μm，H3=15 μm。金屬鍍層的厚度設(shè)定為15 μm。所提出的汽車防撞天線的最佳尺寸為：L1=5 000 μm，L2=980 μm，W1=1 140 μm，W2=164 μm，W3=9 000 μm，L3=1 656 μm，L4=625 μm，L5=200 μm，W4=630 μm，R=90 μm。

2 仿真與測量結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的天線，對(duì)所設(shè)計(jì)的防撞天線進(jìn)行了制作和測試。汽車防撞天線的諧振頻率為77.0 GHz。根據(jù)天線理論，借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了汽車防撞天線模型，給出了其最佳參數(shù)與輻射性能，并加工制作毫米波天線樣機(jī)。圖5所示為天線輸入端口反射S11測試結(jié)果，由圖可見，實(shí)測陣列天線諧振頻率在77.14 GHz處，與優(yōu)化后仿真的天線諧振頻率略有偏差，主要是在毫米波段加工精度問題，但還滿足天線的工作要求，由圖可見，實(shí)測陣列天線諧振頻率在77.14 GHz處，與優(yōu)化后仿真的天線諧振頻率偏差140 MHz，可能是在毫米波段加工的精度問題，但還滿足天線的工作頻段，由圖可知，仿真結(jié)果在76.47～77.46 GHz，S11<-10 dB，駐波良好，實(shí)測結(jié)果表明，該天線的工作頻段在76.57～77.56 GHz，且S11<-10 dB。圖6所示為防撞雷達(dá)天線各項(xiàng)參數(shù)取最優(yōu)值時(shí)的天線方向圖測試值，峰值增益為8.63 dBi，3 dB波瓣寬度76°。由此可知，天線可以滿足77 GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的要求。圖7為天線實(shí)物演示。

圖6 77 GHz處防撞雷達(dá)天線遠(yuǎn)場輻射方向圖

圖7 防撞雷達(dá)實(shí)物

3 結(jié) 論

本文提出了一種新型77 GHz汽車?yán)走_(dá)防撞天線，仿真結(jié)果表明：該天線具有高增益、低副瓣、窄波束等優(yōu)點(diǎn)，在仿真優(yōu)化基礎(chǔ)上對(duì)天線進(jìn)行了加工和測試，基于天線內(nèi)AiP設(shè)計(jì)，具有進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)尺寸和減少封裝損耗的優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)尺寸達(dá)到微米(μm)級(jí)別。這種結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)越的天線能有效滿足77 GHz車載防撞雷達(dá)的要求，在該領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。