馮丁舜

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

近年來，隨著我國汽車制造行業(yè)的蓬勃發(fā)展和智能駕駛技術(shù)需求的提高，毫米波車載雷達(dá)技術(shù)成為人們研究的熱點(diǎn)。天線作為汽車?yán)走_(dá)通訊系統(tǒng)的重要組成部分，一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。24 GHz是車載雷達(dá)天線的主要工作頻段，通常安裝于車輛的后方，用于實(shí)現(xiàn)變道輔助(LCA)、倒車警告(RCTA)和車輛盲區(qū)檢測(BSD)等功能。為了滿足上述功能的需求，設(shè)計(jì)總體損耗小、易于加工、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、收發(fā)隔離度低的毫米波車載天線陣成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[1- 2]。

本文提出了一種應(yīng)用于24 GHz車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的收/發(fā)微帶天線陣，采用串聯(lián)饋電的形式有效減少了引入饋線產(chǎn)生的輻射損耗和散射損耗，將收/發(fā)天線陣印制于同一塊基板中，結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成。仿真和實(shí)測結(jié)果表明該天線陣的工作頻段為23.95～24.25 GHz。

1 天線設(shè)計(jì)

本天線選用矩形微帶天線作為陣列單元，如圖1所示，由傳輸線模型和空腔模型[3]可知：

圖1 微帶天線單元示意圖

式中：l、W分別為微帶天線的長、寬；εr、εe分別為介電常數(shù)和等效介電常數(shù)。

經(jīng)過理論計(jì)算可以得到矩形貼片的初始尺寸，提高后續(xù)仿真優(yōu)化工作的效率。

天線陣的結(jié)構(gòu)如圖2所示，陣列由接收子陣和發(fā)射子陣組成，子陣間隔為Ls以保證天線陣的收發(fā)隔離度，每個(gè)子陣各有6個(gè)微帶天線單元。采用的介質(zhì)基板是介電常數(shù)為2.2的Rogers5880，厚度為0.254 mm，介質(zhì)板下方為金屬地板。天線陣采用同軸線探針饋電，外圓柱為空氣，降低了制造成本，同時(shí)避免了采用微帶線端饋時(shí)天線陣列的不對(duì)稱問題[4]。

圖2 天線陣仿真模型

微帶天線單元采用串聯(lián)饋電，天線陣列的兩端為開路，使得電場沿E 面呈駐波分布。各個(gè)陣元之間的距離保持大致相同，以保證等相位饋電，從而輻射出H面的寬波束。矩形微帶天線陣元的寬度從中間向兩邊依次減小，通過調(diào)整陣元的阻抗特性以控制每個(gè)微帶天線單元輻射能量的大小。

2 測試結(jié)果

天線的加工實(shí)物圖如圖3所示，長寬高尺寸為60 mm×8 mm×0.254 mm，較小的尺寸可以有效地集成于車體結(jié)構(gòu)中。

圖3 天線的加工實(shí)物圖

由圖4可以看出天線仿真和實(shí)測的回波損耗在23.95～24.25 GHz小于-10 dB，證明該饋電方式可實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配性能。

圖4 回波損耗曲線

如圖5和圖6所示，天線的帶內(nèi)增益可以達(dá)到14.7 dB，E面、H面半功率波束寬度分別為14.5°和80.4°，歸一化第一旁瓣電平為-19.8 d B，在E 面具有優(yōu)良的方向性，實(shí)測值與仿真值較為吻合，滿足應(yīng)用場景需求。

圖5 天線陣H面仿真方向圖

圖6 天線陣E面仿真方向圖

本天線陣的帶內(nèi)S12如圖7所示，帶內(nèi)S12小于-52 dB，具有較好的收/發(fā)隔離度(如圖8所示)，滿足車載雷達(dá)系統(tǒng)的需求。

圖7 天線陣實(shí)測方向圖(24 GHz)

圖8 天線陣的收/發(fā)隔離度

3 結(jié)束語

根據(jù)24 GHz車載雷達(dá)系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了一款小型化收/發(fā)天線陣列，通過同軸饋電和串聯(lián)饋電的方式保證了天線的緊湊性、低成本和可靠性。仿真和實(shí)測結(jié)果表明該陣列天線陣工作于23.95～24.25 GHz，天線帶內(nèi)增益為14.7 d B，E面、H面的半功率波束寬度分別為14.5°和80.4°，收發(fā)天線陣間的隔離度大于52 d B。該微帶收/發(fā)天線陣列具有較好的綜合性能，在車載雷達(dá)系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。