面向毫米波雷達(dá)應(yīng)用的微帶陣列天線仿真與設(shè)計(jì)

董澤赟，歐陽政，張 哲，李丁輝，耿云杰

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

1 引言

近年來，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的逐步商用，毫米波雷達(dá)技術(shù)得到迅速發(fā)展。與攝像頭、紅外、激光等光學(xué)傳感器相比，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候（大雨天除外）全天時(shí)的特點(diǎn)，在車聯(lián)網(wǎng)、智能交通等系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。天線作為雷達(dá)系統(tǒng)中不可缺少的一部分，對毫米波雷達(dá)的尺寸、成本和性能有著巨大的影響，因此對毫米波雷達(dá)天線的研究有著重要意義。現(xiàn)有的毫米波雷達(dá)天線主要包括：微帶陣列天線和波導(dǎo)縫隙陣列天線。相較于后者，前者具有加工成本低、設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是眾多毫米波雷達(dá)產(chǎn)品首先選擇的天線形式［1］。常見的微帶陣列天線主要包括貼片陣列天線和梳狀陣列天線兩種。本文面向E 波段（60～90 GHz）毫米波雷達(dá)的具體應(yīng)用，基于貼片陣和梳狀陣兩種陣元結(jié)構(gòu)，根據(jù)陣列天線的基礎(chǔ)理論，分別進(jìn)行1×10 和4×10 微帶陣列天線的仿真和設(shè)計(jì)，分析對比并總結(jié)兩種陣列天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)毫米波雷達(dá)中微帶陣列天線的研究提供技術(shù)參考。

2 貼片陣列天線設(shè)計(jì)

2.1 1×10 貼片陣列天線

所設(shè)計(jì)天線工作頻率為79～81 GHz，采用R5515作為介質(zhì)基板，相對介電常數(shù)為3，損耗角正切為0.003 5，板材厚度為0.254 mm。

當(dāng)輻射貼片的諧振頻率為f時(shí)，則其寬度為［2］

其中，c為光速，εr是相對介電常數(shù)。輻射貼片的長度L通常為

其中εe為有效介電常數(shù)，ΔL為等效縫隙長度，且

選定諧振頻率f=80 GHz，并將選定板材數(shù)據(jù)代入上式，可以計(jì)算得到貼片的初始尺寸為W=1.32 mm，L=0.93 mm。

通過改變陣列中每個(gè)貼片的寬度，可以控制其激勵(lì)的幅度，使單元的功率分布滿足切比雪夫分布以降低副瓣電平［3］。取目標(biāo)副瓣電平值為-30 dB，求得電流幅度比值為0.257 5∶0.430 0∶0.669 2∶0.878 0∶1.000 0∶1.000 0∶0.878 0∶0.669 2∶0.430 0∶0.257 5。根據(jù)電流幅度比值計(jì)算出原始貼片寬度，并利用仿真軟件對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最終1×10 貼片陣列天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中各參數(shù)的具體數(shù)值如表1所示。

表1 貼片天線尺寸表 單位：mm

圖1 1×10 貼片陣列天線結(jié)構(gòu)圖

1×10 貼片陣列天線的輸入端口的阻抗特性仿真結(jié)果如圖2 所示。由圖中可以看出，此天線陣列在中心頻率80 GHz 處的S11幅值約為-14.6 dB，電壓駐波比（VSWR）約為1.5，阻抗帶寬|S11|＜-10 dB、VSWR＜2的范圍分別為：79～81 GHz和78.9～81.2 GHz。

圖2 1×10 貼片陣列天線的阻抗特性仿真結(jié)果

1×10 貼片陣列天線在80 GHz 處的輻射方向圖如圖3 所示，天線最大增益約為15.6 dBi，E 面3 dB 波束寬度約為11°，旁瓣電平約為-15.1 dBi，H 面3 dB 波束寬度約為77.5°。

圖3 1×10 微帶貼片天線陣列方向圖

2.2 4×10 貼片陣列天線

在上述1×10貼片陣列天線的基礎(chǔ)上，采用一分四功分器作為饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行4×10貼片陣列天線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法采用阻抗變換法，主饋線的阻抗為50 Ω，傳輸線的阻抗為100 Ω，經(jīng)過計(jì)算和優(yōu)化得到功分器的結(jié)構(gòu)圖和各項(xiàng)參數(shù)分別如圖4和表2所示［4］。

表2 一分四功分器尺寸表 單位：mm

圖4 一分四功分器結(jié)構(gòu)圖

最終4×10貼片陣列天線結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，陣列長度為27.45 mm，寬度為11.4 mm。

圖5 4×10 貼片陣列天線結(jié)構(gòu)圖

對4×10 貼片陣列天線進(jìn)行仿真，得到輸入端口的阻抗特性仿真結(jié)果如圖6 所示。由圖中可以看出，此天線陣列在中心頻率80 GHz 處的S11幅值約為-14.9 dB，VSWR 約為1.4，阻抗帶寬|S11|＜-10 dB、VSWR＜2 的范圍分別為：77.6～81.2 GHz 和77.4～81.4 GHz。

圖6 4×10 貼片陣列天線的阻抗特性仿真結(jié)果

4×10 貼片陣列天線在80 GHz 處的輻射方向圖如圖7 所示，天線最大增益約為19.5 dBi，E 面3 dB 波束寬度約為8.5°，旁瓣電平約為-13 dBi；H面3 dB波束寬度約為20°，旁瓣電平約為-12.6 dBi。

圖7 微帶貼片天線陣列方向圖

3 梳狀陣列天線設(shè)計(jì)

3.1 1×10 梳狀陣列天線

為了更直觀地對比兩種陣元結(jié)構(gòu)，梳狀天線的工作頻率和板材與上述貼片天線保持一致。

已知梳狀單元的等效輻射電導(dǎo)與激勵(lì)幅度分布滿足

根據(jù)切比雪夫綜合法，取目標(biāo)副瓣電平值為-25 dB，求得電流幅度比值為0.395 0∶0.505 6∶0.721 4∶0.899 3∶1∶0.899 3∶0.721 4∶0.505 6∶0.395 0。由上式和電流幅度的比值可以計(jì)算得到各個(gè)陣元所對應(yīng)的輻射電導(dǎo)為0.028 5∶0.046 6∶0.094 9∶0.147 5∶0.182 4∶0.182 4∶0.147 5∶0.094 9∶0.046 6∶0.028 5。

利用1×10均勻陣列提取輻射單元的諧振參數(shù)，先固定單元寬度W，調(diào)節(jié)單元長度L，使S11虛部為零時(shí)，即為諧振長度，此時(shí)提取的電導(dǎo)g 為單元?dú)w一化輻射電導(dǎo)。g可通過S參數(shù)仿真得到，諧振時(shí)歸一化輻射電導(dǎo)為

設(shè)置單元寬度的變化范圍0.1～0.5 mm，改變單元寬度，重復(fù)上述過程可以得到單元寬度W、單元長度L與輻射電導(dǎo)g之間的對應(yīng)關(guān)系，并對單元長度隨寬度變化數(shù)據(jù)、輻射電導(dǎo)隨寬度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得單元寬度變化范圍內(nèi)與長度和輻射電導(dǎo)的一一對應(yīng)關(guān)系，從而可以求得天線陣元的長和寬［5］。最終優(yōu)化后得到梳狀陣列天線的結(jié)構(gòu)圖和參數(shù)分別如圖8和表3所示。

表3 1×10 梳狀天線陣列尺寸表 單位：mm

圖8 1×10 梳狀天線陣列結(jié)構(gòu)圖

1×10 梳狀陣列天線的輸入端口的阻抗特性仿真結(jié)果如圖9 所示。由圖中可以看出，此天線陣列在中心頻率80 GHz 處的S11幅值約為-28.9 dB，VSWR約為1.1，在掃頻范圍內(nèi)阻抗帶寬|S11|＜-10 dB、VSWR＜2的范圍分別為：77～81.8 GHz和77～81.9 GHz。

圖9 1×10 梳狀陣列天線的阻抗特性仿真結(jié)果

1×10 梳狀陣列天線在80 GHz 處的輻射方向如圖10所示，天線最大增益約為14.5 dBi，E面3 dB波束寬度約為17.5°，旁瓣電平約為-17.8 dBi，H 面3 dB 波束寬度約為62.5°。

圖10 1×10 梳狀天線陣列方向圖

3.2 4×10 梳狀陣列天線

在上述1×10梳狀陣列天線的基礎(chǔ)上，采用同樣的一分四功分器作為饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行4×10 梳狀陣列天線設(shè)計(jì)。最終得到4×10 梳狀陣列天線結(jié)構(gòu)如圖11 所示，天線陣列的長度為20.45 mm，寬度為11.4 mm。

圖11 4×10 梳狀天線陣列結(jié)構(gòu)圖

對4×10貼片陣列天線進(jìn)行仿真，得到輸入端口的阻抗特性仿真結(jié)果如圖12 所示。由圖中可以看出，此天線陣列在中心頻率80 GHz 處的S11幅值約為-14.0 dB，VSWR 約為1.5，在掃頻范圍內(nèi)阻抗帶寬|S11|＜-10 dB、VSWR＜2 的 范 圍 分 別 為：77～81.3 GHz和77～81.5 GHz。

圖12 4×10 梳狀陣列天線的阻抗特性仿真結(jié)果

4×10 梳狀陣列天線在80 GHz 處的輻射方向如圖13所示，天線最大增益約為17.7 dBi，E面3 dB波束寬度約為18.5°，旁瓣電平約為-13 dBi；H 面3 dB 波束寬度約為20.5°，旁瓣電平約為-14.3 dBi。

圖13 梳狀天線陣列方向圖

4 兩種微帶陣列天線性能對比

表4 總結(jié)了上述兩種微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)尺寸、阻抗特性和輻射特性等性能參數(shù)。通過對比可以看到，梳狀陣的尺寸相比于貼片陣約減小了1/4，阻抗帶寬大于貼片陣，且輻射效率高于貼片陣列；但在中心頻率80 GHz 處，貼片陣的最大增益要高于梳狀陣，且E 面3 dB 波束寬度小于梳狀天線，說明貼片天線陣列的方向性要優(yōu)于梳狀天線陣列。

表4 兩種微帶陣列天線對比表

5 結(jié)語

本文提出了兩種80 GHz 微帶天線陣列的設(shè)計(jì)方法，對比了兩種天線各方面的性能參數(shù)，在相同的中心頻率下，梳狀天線的尺寸小，帶寬大，輻射效率高，但增益較低，方向性差，貼片天線雖然帶寬和輻射效率方面要劣于梳狀天線，但其設(shè)計(jì)簡單，增益高，方向性好。因此，在使用時(shí)可以根據(jù)性能需求靈活選擇天線的結(jié)構(gòu)。