一種24GHz雷達(dá)水位計(jì)微帶天線陣列設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN822 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0030-05

Abstract：Withthedevelopmentneedsofdiversifiedwaterresourcesandenvironmentalperceptionssuchassmartwater conservancyandsmart water，therequirementsformonitoringfactorssuchaswaterlevelsandflowratesinriversandpipelines arebecomingincreasinglyhigh.Howtoincreaseantennagainandreducesidelobeisthemaindesigngoaltoimprovethe rangingrangeand measurementaccuracyof radar water level gauge.Inthispaper，a24 GHzradar water level gauge 4×4 microstripantennaarrayisdesignedbyusingthetransmisionlinetheoreticalmodelresearchmethod，andaninnovativeideaof anidealpowerspliterbasedontheexcitationportisproposed，whichprovidesanobjectiveandaccuratecomparisonreference objectfor the performance evaluation of actual power spliter. The 4×4 arrayantenna obtained through theoretical research， design，simulationandoptimizationachieveshighgain.Theantennagainis19.O3dBiand thebeam widthis19.61 ° x19.97°. It canmeettherequirementsoftheradarwaterlevelgaugesystemundergraduallychangingflowandrapidlychangingflow conditions. It has good application prospects.

Keywords： radar water level gauge; microstrip antenna; ideal power spliter; antenna array; HFSS simulation

雷達(dá)水位計(jì)具有遠(yuǎn)距離探測、受氣候影響小、可全天候工作等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于河流水位、灌區(qū)明渠水位、水庫水位自動監(jiān)測系統(tǒng)。常用的雷達(dá)水位計(jì)工作頻率有 24.60.77GHz 等。在測距測速雷達(dá)系統(tǒng)中，24GHz 雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用仍然占有較大比例，主要原因在于 24GHz 頻段為ISM頻段， 24GHz 射頻MMIC相較于 60GHz 及以上雷達(dá)有著成本上的優(yōu)勢，其次電路復(fù)雜度低。影響 24GHz 雷達(dá)水位計(jì)測距范圍、測距精度的外部硬件因素有雷達(dá)天線的增益、波束寬度等參數(shù)，而天線增益提高使得回波信號更為穩(wěn)定，因此水位測量精度也能夠得到提高。可通過增加天線個數(shù)形成陣列天線進(jìn)而提高總增益。本文從矩形微帶陣列天線展開理論研究與設(shè)計(jì)，同時對陣列天線尺寸、功分器尺寸作出仿真優(yōu)化處理，使設(shè)計(jì)仿真出來的微帶陣列天線增益與回波損耗得到改善。

天線的輻射性能取決于在指定頻段范圍內(nèi)天線與饋電網(wǎng)絡(luò)是否實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。本文設(shè)計(jì)了一種 24GHz 雷達(dá)水位計(jì) 4×4 微帶陣列天線，按照 24GHz 工作頻率設(shè)計(jì)出切比雪夫理想功分器、實(shí)際功分器。為了驗(yàn)證饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)性能，即功率分配器性能。通過使用設(shè)置端口激勵源的方式組成理想功分器，并與實(shí)際功分器作仿真性能對比。最后進(jìn)行了仿真與優(yōu)化處理。

1微帶天線工作原理

1.1微帶天線特征

在通信系統(tǒng)中，微帶天線具有體積小、重量輕、制造工藝簡單和易于共形等優(yōu)點(diǎn)1]。Deschamps和Sichak于1953年首次提出微帶天線的概念，1955年Gutton與Boissinot 申報(bào)了第一項(xiàng)微帶天線專利。但Deschamps和Gutton等人只提出了一種由微帶饋電的天線，并沒有具體給出微帶天線的結(jié)構(gòu)特征及輻射機(jī)理。今天廣為人知的微帶天線微帶結(jié)構(gòu)則是1970年由Byron發(fā)表的，而1972年Munson發(fā)表的論文奠定了微帶天線的輻射理論基礎(chǔ)。

微帶天線可由上下兩面的金屬線與接地板構(gòu)成，本文陣列天線的設(shè)計(jì)是基于PCB印刷電路板制造工藝，具有制作工藝成熟、加工周期短、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)方式為人工手工計(jì)算天線尺寸大小，進(jìn)而在生產(chǎn)天線實(shí)物后通過使用專門的測量儀器評估其性能。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，如今可使用AnsysHFSS、CSTStudio等仿真軟件完成天線的設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化工作，能夠模擬真實(shí)場景下的復(fù)雜系統(tǒng)和流程，降低了生產(chǎn)、測試成本和風(fēng)險。

1.2微帶天線輻射機(jī)理

微帶天線對外輻射信號是一種高頻電磁泄漏現(xiàn)象，輻射效率和天線尺寸有著直接關(guān)系。理論表明，當(dāng)信號的波長與微帶天線尺寸相比擬時輻射作用最強(qiáng)。天線性能的優(yōu)劣對移動通信系統(tǒng)的總體性能起著決定性的作用，一副高性能的天線能放寬系統(tǒng)的要求而且改進(jìn)整個系統(tǒng)的性能2。天線單元的輻射特性直接影響陣列天線的性能，是陣列天線設(shè)計(jì)的“地基\"。饋電網(wǎng)絡(luò)是微帶天線的重要組成部分，同時饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對天線的一些關(guān)鍵性能造成影響。

根據(jù)傳輸線模型理論分析，天線寬度 W 可通過公式（1）計(jì)算

式中： W 為矩形微帶天線寬度； c 為光速； ε_r 為介電常數(shù) _5f 為天線諧振頻率。

矩形微帶天線的工作主模式為TM10模，因此電場變化只存在于天線長度兩側(cè)方向上，實(shí)際上天線受長度兩側(cè)方向上的邊緣效應(yīng)影響，天線長度應(yīng)為理論計(jì)算值減去2倍等效輻射縫隙值。

式中： L 為矩形微帶天線長度； ε_e 為等效介電常數(shù)； Δl為等效輻射縫隙。

等效介電常數(shù) ε_e 計(jì)算

等效輻射縫隙 計(jì)算

式中： h 為介質(zhì)基板厚度。

由于陣列天線有著較高的工作頻率，因此需要選取專用的高頻介質(zhì)基板。這里選用的介質(zhì)基板材料為Rogers RT/duroid 5880，具有低介電常數(shù)、低損耗、耐抗性等特點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算， 24GHz 微帶天線尺寸W=4.94mm，L=3.89mm_?

2微帶天線陣列模型設(shè)計(jì)

2.1單陣子微帶天線

首先需要進(jìn)行單陣子微帶天線設(shè)計(jì)，將單陣子天線激勵端口輸入阻抗設(shè)為 100Ω ，以減小饋電線尺寸大小。饋電線與天線之間的連接方式有邊沿饋電（EdgeFeed）、嵌入饋電（InsertFeed）;邊沿饋電的優(yōu)點(diǎn)是方便在天線邊沿處進(jìn)行阻抗匹配，但容易產(chǎn)生高輸入阻抗。嵌入饋電優(yōu)點(diǎn)是可以控制阻抗縮放比，本文單天線陣子設(shè)計(jì)饋電方式選為嵌入饋電。

如圖1所示，嵌入饋電天線嵌入深度為 s ，天線長度為 L ，天線寬度為 W 。嵌入饋電中電流服從正弦分布，因此饋電線從天線邊沿中心處向內(nèi)移動一定距離將使電流變化 cos（πS/L） ，在嵌入點(diǎn)處的電壓相對邊沿饋電點(diǎn)處減少了與電流增加的量。根據(jù) Z=V/I 定律計(jì)算得出嵌入點(diǎn)阻抗 Z_in

Z_in=cos²（πS/L）Z₀

式中： Z_in 為嵌入點(diǎn)阻抗； Z₀ 為邊沿饋電點(diǎn)阻抗。

當(dāng) S=L/4 時， cos²（πS/L） 等于1/2，相當(dāng)于一個1/8信號波長的嵌入天線將使輸入阻抗 Z₀ 降低 50% ，實(shí)現(xiàn)了對天線輸人阻抗的縮放調(diào)整。

對于單陣子天線設(shè)計(jì)，其基本組成結(jié)構(gòu)為表層微帶天線、中層介質(zhì)基板、底層接地板。對整個微帶天線進(jìn)行空間三維電磁性能仿真，則需要加入一個空氣腔以觀測天線系統(tǒng)的遠(yuǎn)場輻射性能，腔體到天線的距離不小于信號在自由空間的四分之一波長。如圖2所示，其為Ansys HFSS的單陣子微帶天線模型。

如圖3所示，阻抗匹配前天線輸入阻抗約為86.27Ω ，未與 100Ω 實(shí)現(xiàn)良好阻抗匹配。

衡量方向性天線性能指標(biāo)之一為 -3dB 波束寬度，在天線輸人阻抗匹配情況下，波束寬度越窄則天線增益越高，因而天線信號作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。如圖4所示，單陣子天線 E 面波束寬度為78.89^°，H 面波束寬度為 75.92^° 。由于在 E，H 面上波束寬度過大，因此天線增益偏低，只有 7.62dBi 。

2.2 4×4 微帶天線面陣

微帶陣列天線就是將一定數(shù)量相同的微帶天線，按照一定方式進(jìn)行排列組合，構(gòu)成一個新的天線系統(tǒng)。在單陣子天線設(shè)計(jì)過程中，激勵端的輸入端阻抗為 100Ω 而在面陣天線中需要將總激勵端口輸入阻抗設(shè)計(jì)為50Ω ，以符合外接通用器件的阻抗匹配需求。面陣天線支路饋電方式為并聯(lián)饋電，采用切比雪夫法進(jìn)行功分器設(shè)計(jì)。

2.3 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

對于微帶陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可以使用切比雪夫法進(jìn)行分析與計(jì)算。通過調(diào)整陣列元件前面的1/4波長阻抗變換段來進(jìn)行功率分配，使各陣列單元的激勵幅值服從切比雪夫分布。切比雪夫功分器的特點(diǎn)是所有副瓣電平相等，通過盡可能降低副瓣電平的方式，這能夠進(jìn)一步縮窄主瓣寬度；但當(dāng)線陣單元超過13時該方法將失效，因此切比雪夫功分器不適用于大型陣列天線饋電。切比雪夫功分器通過以下二階齊次微分方程計(jì)算，得到激勵端口電流分布比

2.3.1切比雪夫理想功分器設(shè)計(jì)

理想功分器（圖5）是指天線陣子饋電處并沒有連接實(shí)際功分器，而是通過激勵端口按照一定切比雪夫激勵分布比進(jìn)行饋電。通過使用理想功分器與實(shí)際功分器進(jìn)行仿真結(jié)果對比，從而對實(shí)際功分器性能做出評估。

設(shè)陣列天線大小為 4×4 ，微帶天線方向圖中主旁瓣比為20。通過切比雪夫功分器方程 T_m（x） 計(jì)算，得到天線陣子單元的激勵分布比為 0.3319：1：1：1：0.3319 。

采用理想功分器的陣列天線 S₁₁ （回波損耗）為-40.26dB ，回波損耗相比單陣子天線提升了近 7dB ，說明此時天線輸人阻抗匹配效果得到進(jìn)一步提高。

低旁瓣電平是天線的一個重要特性，它可以提高天線的抗干擾能力。更有效的饋電模式造成更高的錐形效率，從而導(dǎo)致更窄的波束寬度和更高的旁瓣電平。如圖6（a）所示，陣列天線增益為 19.13dBi，E 面波束寬度為 21.14^°，H 面波束寬度為 21.03^°，E，H 面旁瓣電平FSLL為 -26.72dB 。從圖6（b）Smith圓圖中，采用理想功分器的天線歸一化輸入阻抗為 1.02Ω ，接近 1Ω

2.3.2 切比雪夫功分器設(shè)計(jì)

切比雪夫?qū)嶋H功分器如圖7所示，原點(diǎn)坐標(biāo)處為標(biāo)準(zhǔn) 50Ω 同軸饋電點(diǎn)。相移是由于相位擾動和頻率相關(guān)的長線效應(yīng)，導(dǎo)致波束隨頻率變化而發(fā)生偏斜。根據(jù)切比雪夫功分比嚴(yán)格進(jìn)行饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，面陣中每個陣子天線將獲得一定比例的激勵并保持相位一致。

如圖7所示，深色部分為支路切比雪夫功分器。

如圖8所示，在截面增益圖8（a）陣列天線增益為

18.73dBi，E 面波束寬度為 19.77^°，H 面波束寬度為19.91^° 。在圖8（b）計(jì)算天線歸一化輸入阻抗為0.76Ω ，與標(biāo)準(zhǔn)歸一化阻抗偏差了 0.24Ω 。

2.4 仿真結(jié)果對比

采用遺傳算子對 4×4 微帶陣列天線作最佳優(yōu)化處理，目標(biāo)函數(shù)為SParameter中的 S₁₁ 參數(shù)，優(yōu)化迭代次數(shù)為200次，最優(yōu)仿真結(jié)果見表1。

本文提及的陣列天線與其他文獻(xiàn)所列天線參數(shù)進(jìn)行對比，見表2。

3結(jié)論

本文對 24GHz 雷達(dá)水位計(jì)微帶天線陣列進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果與理論計(jì)算的功分器參數(shù)有一定異。主要原因是天線尺寸計(jì)算存在精度誤差、阻抗未完全匹配等，造成分配到每個天線陣子的功率不完全一致?？傮w上實(shí)際功分器與理想功分器性能相當(dāng)，說明該實(shí)際功分器設(shè)計(jì)是可行的。最終仿真設(shè)計(jì)的 24GHz 雷達(dá)水位計(jì)天線陣列增益達(dá) 19.03dBi ，波束寬度 19.61^°×19.97^°"，同時與文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]所列出 24GHz 陣列天線作了性能對比，得出在相同設(shè)計(jì)參數(shù)情況下本文所設(shè)計(jì)的陣列天線在增益、波束寬度等性能中處于略優(yōu)狀態(tài)。另外，駐波比VSWR在頻段[23.51，24.49]GHz內(nèi)低于1.5，滿足天線駐波比最低設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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