24 GHz车载防撞雷达相控阵天线

现在国内外主流车载防撞雷达的工作频段为24 GHz和77 GHz，其中77 GHz车载防撞雷达是汽车前向远程探测的主流方案，而24 GHz车载防撞雷达主要用作车后向和侧向的近程探测。国内对毫米波频段器件的研究尚不成熟，较高频段的前端设备和测试设备相对缺乏。因此，本研究选择研究24 GHz频段的车载防撞雷达。

目前，许多学者从事防撞雷达相关研究工作，并提出多种用于24 GHz的天线结构，这些结构都具有一定的优势，但同时也有一些缺点。根据近几年24 GHz防撞雷达阵列天线的发展情况，当下所存在的主要问题是馈电网络较复杂。防撞雷达常要求天线具备高增益、低副瓣、窄波束及小型化等特点，有时还要实现固定倾斜角波束或进行波束扫描。随着工作频率的升高，传输损耗也会随之增大。特别在微带阵列天线中，表面波的损耗和互耦影响严重，这些都为高指标的天线阵设计带来许多困难。所以对24 GHz微带阵列天线的研究，尤其对馈电网络的改善具有非常重要的意义。

1  相控阵天线系统的设计指标

在此次车载防撞雷达天线的设计中，选取电性能和频率稳定性较好的TLF-35作为介质基板材料，其介电常数εr = 3.5，介质损耗角正切tanσ= 0.0018，厚度h = 0.76 mm。利用介电常数较大的基板材料容易实现天线的小型化设计，同时增加基板的厚度在一定程度上可对介电常数增大而引起的带宽变窄进行补偿。

2  发射天线阵的仿真设计

传输线基本原理是，在一个波长内，传输线的阻抗每处不一样。根据馈电网络的基本结构和初始尺寸，在三维电磁仿真软件（High Frequency Structure Simulator, HFSS）中建立发射天线模型。首先将矩形贴片单元沿y轴方向扩展成含有14个阵元的直线阵，然后将4个直线阵沿x轴方向扩展成平面阵。矩形贴片单元的间距和直线子阵的间距均为一个工作波长λg，主馈线是特性阻抗为57.7Ω和70.7Ω的λg/4阻抗变换微带传输线，4个直线阵的功分比为1 : 2 : 2 : 1。在阵列中心设计同轴馈电孔，通过同轴线对整个发射天线进行馈电。

车载防撞雷达系统要求发射天线的工作频段为24 GHz - 24.25 GHz，发射天线的谐振频率为24.31 GHz，此时的S11为40.0 dB；当频率小于24.66 GHz时，S11随之小于10 dB。发射天线在工作频点为24.1 GHz处的3D辐射方向图中，最大增益为22.3 dBi，最大辐射方向位于发射天线的正上方。发射天线的E面3 dB波瓣宽度为24°，副瓣电平为20.0 dB；H面3 dB波瓣宽度为8°，副瓣电平为23.7 dB。由于矩形贴片单元间存在互耦影响，导致馈入每个矩形贴片单元的激励电流存在一定误差，每个直线子阵也不能保证有绝对同相的电流激励，综合效应导致系统E面方向图的最大辐射方向偏移了3°左右。

3  微带阵列天线系统的仿真设计

根据车载防撞雷达系统的需求，对仿真设计的发射与接收天线阵列进行集成。该天线系统包括一个发射天线T和两个接收天线R1和R2，T与R1阵列中心的距离为d1，T与R2阵列中心的距离为d2。为了实现天线系统的小型化，将发射天线与两个接收天线集成在同一块介质基板上。T、R1及R2分别对应1、2和3号馈电端口。为缩小天线系统的占用空间，节约加工成本，使阵列间的距离d1、d2尽可能小。但当距离过小时，阵列间的耦合效应会对天线系统造成严重影响，系统接收到的电磁波信号不准，接着会导致车载防撞雷达系统对被测目标做出错误的角度估测。综上所述，为使天线阵列实现互不干扰的正常工作，须合理调整阵列天线间的距离。

由于介质基板增大，发射与接收天线间存在互耦，天线间的匹配会恶化。微调矩形贴片单元尺寸和匹配网络的尺寸，最终得到天线系统的d1 = 29 mm，d2 = 44 mm。由于天线系统的工作频率范围覆盖24-24.25 GHz，满足车载防撞雷达的设计指标要求，因此，可将24.1 GHz作为相控阵天线系统的中心频率。距离是影响隔离度最重要的因素，距离越远，天线间的耦合越小。发射与接收天线间的隔离度在整个工作频段内均大于25 dB，两接收天线间的隔离度大于20 dB。且在整个工作频带内，S12均小于S23。

4  相控阵天线系统的加工测试

为验证24 GHz等阵元矩形阵列天线的仿真结果，对该天线系统进行加工测试。通过射频同轴连接器从背面对发射与接收天线进行独立馈电。使用特性阻抗为50Ω的SMK连接器，，其外导体内径为2.92 mm，探针直径为0.3 mm。将探针通过金属化孔与天线系统的馈电点进行连接，天线阵的总尺寸为106 mm×67 mm×0.76 mm。采用安捷伦（Agilent）是德科技（Keysight Technologies）有限公司PNA系列N5242A型号的矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer, VNA）对天线系统进行小信号相关的测试。

测试结果表明，发射与接收天线的中心频点相对于仿真结果均向高频处偏移。在24.38 GHz处，S11为17.8 dB；两个接收天线的中心频点分别为24.29 GHz 和24.38 GHz，此时S22的最小值为15.9 dB，S33为17.1 dB。与仿真结果相比，整个天线系统的反射系数要恶化一些。在较高频段，微带阵列天线对加工精度要求较高，加工过程中的各种随机误差会导致系统性能恶化。此次发射天线与两个接收天线的隔离度测试结果均大于25 dB。由于两个接收天线的间距过小，VNA电缆线较粗，端口2和3无法同时连接测试，因此，未能测得两接收天线间的隔离度S23。

5  结  论

本文通过对24 GHz车载防撞雷达的工作原理进行分析，根据所提相控阵天线系统的具体性能指标，首先设计单个矩形贴片单元，并建立对应三维电磁模型，通过调节微带馈线的深度及开槽宽度来实现与矩形贴片单元的阻抗匹配。然后进行发射天线的设计，将矩形贴片单元扩展成14×1的直线阵。通过四分之一波长微带线阻抗变换器，改变馈线宽度以实现激励电流幅值呈指数分布，从而降低H面副瓣电平。接着再将直线阵扩展成14×4的平面阵，采用串并馈结合的馈电网络。其中直线阵的间距为一个介质波导波长，保证馈入每个直线阵的电流激励相位相同。接收天线的设计思路与发射天线相似，对发射与接收天线阵列进行单独仿真的结果都满足设计指标要求。最后，将发射与接收天线阵列组合为一个天线系统。对阵列间的隔离度进行仿真优化，24 GHz等阵元微带阵列天线的实测结果基本满足车载防撞雷达系统的应用需求。

参  考  文  献

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