吳 斌 姜 興 廖 欣 李曉峰

(桂林電子科技大學 廣西桂林 541004)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，道路上的限高桿、廣告牌安裝較為混亂，卡車、大巴車等大型車輛與限高桿、涵洞、廣告牌等相撞造成的事故也頻頻發(fā)生。為了避免卡車、大巴車等大型車輛與限高杠、涵洞等障礙物的碰撞，車載雷達不僅需要探知前方目標的速度、距離等信息，還需要探測目標的高度信息，從而給駕駛員提供預警[1-2]。因此，急需研究能夠實時監(jiān)測道路交通情況，感知車輛周圍目標速度、距離及高度等信息的車載測高防撞雷達。由于毫米波受惡劣環(huán)境因素影響小、分辨率高等優(yōu)點，并且具有較強的抗雨霧干擾和抑制多徑反射的能力，已成為車載雷達應用頻段首選[3]。因微帶天線便于與射頻電路集成等特點，因而本文車載測高防撞雷達天線采用微帶天線作為輻射元件。

1 雙通道比相法測高原理

雷達測角的常用方法是比相位法，主要是通過提取接收不同回波信號中的相位信息，通過數據后處理得到待測目標高度信息，如果存在雜波等因素對回波信號干擾也不會影響對相位信息的提取。比相法利用不同接收天線獲取的回波信號之間相位差進行測角。圖1為比相法原理圖。其中，θ為回波方向，d12為接收天線1、2之間的距離，φ12為兩者的相位差[4]。

圖1 比相法測角原理圖

結合圖1可知，

(1)

由式(1)可得來波方向

(2)

其中λ為雷達工作波長。由式(2)知，在d12為已知量時，通過相位計對接收天線1、2接收信號進行比較可得相位差信息，從而數據后處理得到目標高度信息[5]。

2 24 GHz串饋微帶收發(fā)線陣設計

由于微帶貼片天線易于與射頻電路集成和加工工藝成熟等特性，線陣采用微帶天線作為輻射單元。因測高要求及不出現無模糊問題，采用1×8單元作為發(fā)射線陣，接收線陣采用1×3單元。為了使天線獲得較低的副瓣電平，線陣采用道爾夫-切比雪夫陣列綜合法進行饋電。在副瓣電平為定值后通過對微帶貼片阻抗的設計，從而獲得各輻射貼片的功率。因線陣結構對稱，故只需計算一半電流比即可[6]。在SLL=-25 dB時，發(fā)射線陣貼片從邊緣到中心的電流幅值比為I1∶I2∶I3∶I4=0.38∶0.59∶0.84∶1，接收線陣貼片電流幅值比為：I1∶I2=0.56∶1，由I1∶I2∶…∶In-1∶In=Wp1∶Wp2∶…∶Wpn-1∶Wpn可知各貼片寬度[7]。

考慮到將發(fā)射天線和接收天線加工在同一塊介質板上，采用Rogers公司Rogers 4350B介質板，其相對介電常數εr=3.66，介質板厚度h=0.254 mm。收發(fā)線陣結構如圖2所示。

通過仿真軟件CST2018對收發(fā)線陣仿真后，收發(fā)天線單元的S11仿真結果如圖3(a)所示，在24～24.25 GHz頻帶，S11均小于-10 dB；圖3(b)為收發(fā)天線的方向圖，發(fā)射線陣俯仰面3 dB波束寬度為15.4°，接收線陣俯仰面3 dB波束寬度為38.5°。

圖2 收發(fā)線陣結構

表1 收發(fā)線陣結構尺寸(單位：mm)

圖3 收發(fā)線陣仿真結果

3 12元饋電網絡設計

為了天線水平面獲得較低的副瓣以避免雜波、噪聲等因素的影響及天線的窄主瓣、高增益特性，本文采用切比雪夫天線綜合法對12元饋電網絡進行設計。因12單元饋電網絡是結構對稱的，只需計算一半電流幅值比。在SLL=-25 dB時，從饋電網絡中心到邊緣的電流幅值比：I1∶I2∶I3∶I4∶I5∶I6=1∶0.93∶0.80∶0.64∶0.46∶0.42。對12元饋電網絡仿真模型設置電流監(jiān)測器，來觀測是否滿足設計值以便后續(xù)的優(yōu)化[8]。12元饋電網絡仿真模型如圖4所示。

圖5(a)為各端口電流幅值仿真結果。從圖5(a)可看出，在中心頻點處，各端口電流幅值比為I1∶I2∶I3∶I4∶I5∶I6=1∶0.921∶0.756∶0.56∶0.38∶0.26，這與設計值略有點偏差，但通過與線陣組陣后，陣列天線的副瓣滿足低副瓣要求，表明該饋電網絡是滿足設計要求的。圖5(b)為各端口電流相頻特性仿真結果。從圖5(b)可看出，各端口電流基本相位一致。

圖4 12單元饋電網絡電流監(jiān)測仿真模型

圖5 12單元端口電流幅頻、相頻仿真結果

4 24 GHz一發(fā)兩收陣列天線設計

通過對收發(fā)天線之間距離合理設計，滿足天線小型化需求同時避免了天線之間的耦合影響，一發(fā)兩收陣列天線尺寸為113mm×160 mm，如圖6所示。發(fā)射天線與接收天線1和兩接收天線之間的距離分別為y1、d12(y1=d12=2.58λ，λ為中心頻率工作波長)。

圖6 收發(fā)天線的布局

5 24 GHz一發(fā)兩收陣列天線仿真與實測

通過對一發(fā)兩收陣列天線的優(yōu)化仿真，最終定版并進行了加工，天線實物如圖7(a)所示。利用矢量網絡分析儀對收發(fā)天線的S參數進行了測試，通過微波暗室測試了天線的方向圖，如圖7(b)所示。

圖7 收發(fā)天線實物及測試

圖8為收發(fā)天線S參數實測與仿真結果對比，在工作頻段內，收發(fā)天線的反射系數S11、S22、S33均<-10 dB，滿足設計要求。

圖9為一發(fā)兩收天線在中心頻點方向圖仿真與實測結果。從圖9中可知，發(fā)射天線方向圖實測與仿真結果基本一致，發(fā)射天線方位面與俯仰面3 dB波束寬度分別為9.7°和13.6°，其旁瓣電平<-15 dB。由圖10(a)、圖10(b)可看出，接收天線1、2方位面與俯仰面方向圖實測與仿真結果基本吻合，兩接收天線俯仰面3 dB波束寬度為33°，旁瓣電平<-20 dB，方位面3 dB波束寬度均在10.4°左右，滿足24GHz測高雷達設計需求。

6 結束語

通過對線陣采用串饋的方式，同時饋電網絡利用切比雪夫天線綜合法設計以及收發(fā)天線間距合理設計，滿足天線性能的同時也避免天線之間的耦合影響，設計了一發(fā)兩收微帶陣列天線。對陣列天線進行了加工和實測，實測收發(fā)陣列天線在工作頻段內反射系數均<-10 dB，收發(fā)天線方位面3 dB波束寬度實測結果均在10°左右，副瓣電平<-20 dB，符合設計要求。因此，該一發(fā)兩收微帶陣列天線的性能滿足了設計需求，適合用于車載測高防撞雷達系統(tǒng)。

圖8 收發(fā)天線S參數仿真與實測結果

圖9 TX實測與仿真方向圖

圖10 RX1、RX2實測與仿真方向圖