張杰

摘要：本文提出了一種用于連續(xù)波雷達(dá)中增加收發(fā)天線隔離度的方法。通過(guò)在收發(fā)天線間適當(dāng)?shù)奈恢迷黾右粋€(gè)虛元的方式，簡(jiǎn)單有效的提高了收發(fā)天線間同頻的隔離度。該方法是基于天線電路模型中接收天線有效匹配時(shí)，不但接收空間電磁能量，并且同時(shí)在輻射電磁能量的特點(diǎn)，控制虛元二次輻射來(lái)自發(fā)射天線的電磁波到達(dá)接收天線的幅相，使之與由發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的同頻電磁波達(dá)到幅度接近，相位相反從而相互抵消，提高了收發(fā)天線間的隔離度。此種方法在天線孔徑尺寸有限的情況下具有明顯的效果，在本文的案例中，收發(fā)天線隔離度相對(duì)于沒(méi)有虛元的情況下提高了9dB。

Abstract： In this paper， a method for increasing the isolation of transceiver antenna in CW radar is presented. By adding a virtual element in the proper position between the transmitting and receiving antennas， the isolation of the same frequency between the transmitting and receiving antennas is improved simply and effectively. This method is based on the antenna circuit model when the receiving antenna matches effectively. It not only receives the space electromagnetic energy， but also radiates the electromagnetic energy. It controls the virtual element secondary radiation from the transmitting antenna to reach the receiving antenna's amplitude and phase， making it close to the same frequency electromagnetic wave from the transmitting antenna to the receiving antenna directly， and cancels each other out in phase. It improves the isolation between antennas. This method has obvious effect when the aperture of antenna is limited. In the case of this paper， the isolation of transmitting and receiving antennas is improved by 9dB compared with that without virtual elements.

關(guān)鍵詞：連續(xù)波雷達(dá)天線;隔離度;虛元

Key words： CW radar antenna;isolation;dummy antenna

中圖分類(lèi)號(hào)：TN958 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）30-0246-03

0 ?引言

當(dāng)前智能化是電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，而在汽車(chē)領(lǐng)域的智能駕駛也越來(lái)越收到人們的關(guān)注。車(chē)載領(lǐng)域的各種終端中毫米波雷達(dá)以其優(yōu)越的性能、較高的性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)獲得車(chē)廠廣泛的青睞。車(chē)載毫米波雷達(dá)是一種短距離高精度雷達(dá)，通常采用連續(xù)波體制，即在雷達(dá)接收同時(shí)還在發(fā)射，同頻發(fā)射電磁波無(wú)疑會(huì)進(jìn)入接收通道，影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)回波的處理，往往成為制約雷達(dá)探測(cè)能力的瓶頸。因?yàn)槭瞻l(fā)電磁信號(hào)是同頻率，無(wú)法通過(guò)濾波的方式減緩這種干擾，那么只有在天線中最大程度的提高收發(fā)天線間隔離度來(lái)提高雷達(dá)性能。

車(chē)載毫米波雷達(dá)一般工作于24～24.25GHz（簡(jiǎn)稱24G）以及76～81GHz（簡(jiǎn)稱77G），并安裝于車(chē)體的各個(gè)位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于汽車(chē)不同區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的感知。

在國(guó)際上已提出許多有效去耦和的方法，比如缺陷地結(jié)構(gòu)[2]、耦合諧振網(wǎng)絡(luò)[3]、電磁帶隙結(jié)構(gòu)[4]和金屬超材料[5]等。但是如果這些方法應(yīng)用于車(chē)載毫米波雷達(dá)天線設(shè)計(jì)中，會(huì)增大天線的尺寸，不滿足雷達(dá)小型化的應(yīng)用需求，并且會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。本文以24GHz車(chē)載雷達(dá)為應(yīng)用背景，提出一種在收發(fā)天線間增加虛擬陣元的方法，通過(guò)虛元的二次輻射與發(fā)射天線的直達(dá)波反相抵消的方式，簡(jiǎn)單有效的提高了收發(fā)天線間的隔離度。這種方式相比于無(wú)虛元的情況隔離度提高了9dB。

1 ?天線結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

毫米波雷達(dá)天線陣的結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線形式為微帶貼片天線，此種形式的天線具有低成本、易加工、重量輕、批量一致性好、易于與射頻芯片集成等等諸多優(yōu)勢(shì)。本文使用的天線在俯仰面采用中心饋電的六元中心饋電微帶陣列，用兩列做為發(fā)射，獨(dú)立的兩列做為接收，在接收和發(fā)射天線間加入一列與接收天線相同的單列做為虛擬陣元，優(yōu)化其相對(duì)的位置，以獲得收發(fā)天線間隔離度最優(yōu)化。

整個(gè)陣面印制在厚度為0.254mm的Rogers4350B介質(zhì)板上，介電常數(shù)為3.66，損耗角正切為0.004。天線介質(zhì)板尺寸L×W（mm）=60×40，接收二天線Rx1和Rx2間距為半個(gè)波長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)天線前半空域[-90°，90°]無(wú)模糊測(cè)角。

接收天線二次輻射原理是：當(dāng)接收天線的輻射電阻Rr與負(fù)載電阻RL匹配（RL=Rr）時(shí)（電路圖見(jiàn)圖2），與注入負(fù)載的功率相等的功率將被天線再輻射出去。這是最大功率轉(zhuǎn)移的條件（假設(shè)天線無(wú)損耗）。除了再輻射功率之外，天線還散射尚未進(jìn)入天線負(fù)載電路的功率[1]。

2 ?仿真結(jié)果與分析

本文采用商用仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真分析。圖3至圖7分別仿真了收發(fā)天線間無(wú)虛元，虛元距離接收天線2（圖1中Rx2）分別是6mm、7mm、8mm和9mm時(shí)發(fā)射天線與兩個(gè)接收天線間的隔離度，從仿真結(jié)果看，距離從6mm到9mm變化過(guò)程中，最小隔離度分別為43dB、45dB、35dB和42dB?？梢?jiàn)相對(duì)于無(wú)虛元時(shí)的隔離度36dB都有了明顯的改善。這種設(shè)計(jì)中虛元采用與接收天線一樣的形式和尺寸，這樣既與收發(fā)天線都工作在同一頻段，能夠很好的實(shí)現(xiàn)接收發(fā)射電磁波并做二次輻射，并且避免重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低了工作量。虛擬天線的饋電端口匹配狀態(tài)，實(shí)際工作時(shí)用50歐姆電阻接地。

3 ?結(jié)論

本文提出了一種通過(guò)在接收發(fā)和發(fā)射天線之間的適當(dāng)位置增加一個(gè)虛擬陣元的方式來(lái)提高收發(fā)天線之間的隔離度的方法。虛擬陣元通過(guò)接收來(lái)自發(fā)射天線來(lái)的電磁波并二次輻射出去，使得在接收天線處，來(lái)自發(fā)射天線的直達(dá)波和來(lái)自虛擬陣元二次輻射的電磁波反相疊加，相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)提高收發(fā)天線之間隔離度的目的。通過(guò)仿真優(yōu)化接收天線的位置，實(shí)現(xiàn)在24GHz雷達(dá)工作頻帶內(nèi)（24～24.25GHz），收發(fā)天線隔離度較無(wú)虛擬天線時(shí)增加了9dB。

參考文獻(xiàn)：

[1]John D.Kraus and Ronald J.Marhefka. Antenna：For All Applications，Third Edition.電子工業(yè)出版社，2017.

[2]C. Y. Chiu， C. H. Cheng， R. D. Murch， and C. R. Rowell. Reduction of mutual coupling between closely-packed antenna element[J]. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 55， no. 6， pp. 1732-1738， Jun. 2007.

[3]L. Zhao， L. K. Yeung， and K.-L. Wu. A coupled resonator decoupling network for two-element compact antenna arrays in mobile terminals[J]. IEEE Trans. Antennas Propag.， vol. 62， no. 5， pp. 2767-2776， May 2014.

[4]F. Yang and Y. R. Samii. Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap EBG structures： A low mutual coupling design for array applications[J]. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 51， no. 10， pp. 2936-2946， Oct. 2003.

[5]Vasanelli C ， Bogelsack F ， Waldschmidt C . Reducing the Radar Cross-Section of Microstrip Arrays Using AMC Structures for the Vehicle Integration of Automotive Radars[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2018， PP（99）：1-1.