張杰

【摘 ?要】論文針對車載微波雷達天線對車體正后和側后方同時高增益的探測需求，設計了一種波束開裂的雙波束天線，具有針對兩個目標區(qū)域高增益探測的能力。相對于傳統(tǒng)單波束天線，雙波束天線在兩個目標區(qū)域的增益均提高約6dB，使得雷達的理論探測距離提高50%。

【Abstract】Aiming at the detection requirement of the antenna of vehicle mounted microwave radar for high gain at the right rear and side rear the vehicle's body at the same time， the paper designs a dual beam antenna with split beams， which has the ability to detect two target areas with high gain. Compared with the traditional single beam antenna， the gain of the dual beam antenna in the two target areas is increased by about 6dB， which increases the theoretical detection range of the radar by 50%.

【關鍵詞】車載微波雷達;雙波束;高增益

【Keywords】vehicle mounted microwave radar; dual beam; high gain

【中圖分類號】TN959 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）09-0159-03

1 引言

智能安全駕駛離不開微波雷達傳感器，這些傳感器雷達一般工作頻段為24～24.25GHz（簡稱24G）以及76～81GHz（簡稱77G），安裝于車體的各個位置，以實現(xiàn)對于汽車不同區(qū)域內目標的感知。

在汽車的前向常用距離更遠、分辨率更高的77G雷達，用于自適應巡航（ACC）和緊急制動（AEB）。

在汽車的后向可采用成本相對更低的24G雷達來實現(xiàn)盲點監(jiān)測（BSD）、變道輔助（LCA）、倒車側向告警（RCTA）以及開門預警（DOW）等功能。后向的功能常被要求在一部雷達中實現(xiàn)，即在汽車的左后角和右后角各裝一部雷達，兩部雷達分別覆蓋汽車左右兩邊。由于這四種功能需要覆蓋的區(qū)域大，且并非連續(xù)區(qū)域，故可以對雷達天線波束采用特殊設計手段以提高雷達能力。

下文就四種功能對于汽車來說相對的位置說明如下：

BSD功能要求雷達可判別汽車后方0～7m的正后方車道和臨車道內威脅目標;

LCA功能要求雷達可判別汽車后方0～70m的正后方車道和臨車道內威脅目標;

DOW功能要求雷達可判別汽車后方0～30m的正后方車道和臨車道內威脅目標;

RCTA功能要求雷達可判別汽車后方垂直于車體方向車道上0～30m的威脅目標。

可見，前三種功能要求雷達的探測區(qū)域與第四種功能要求的探測區(qū)域不同，且不連續(xù)。

對于雷達安裝來說，為了滿足天線波束對于實現(xiàn)四種功能所涉及的兩部分區(qū)域有效覆蓋，一般采用的安裝的夾角與汽車尾部呈30°～35°。對于接收天線，雷達常采用寬波束設計，以覆蓋全部區(qū)域。對于發(fā)射天線而言，若仍然采用與接收天線相同的寬波束設計，則會使雷達輻射能量大部分集中到汽車的側后方，這也是兩個需要覆蓋區(qū)域之間的位置，輻射能量未能得到更加有效的利用。故需要對雷達的發(fā)射天線波束進行針對性的賦形設計，以保證發(fā)射天線在兩個需要的覆蓋區(qū)域實現(xiàn)增益最大化。

針對此問題，張寧、趙宇楠等人曾在“射頻百花潭”發(fā)表文獻[1]，采用粒子群算法（POS）對六列微帶天線的激勵幅度和相位進行了優(yōu)化，改善了雷達天線照射到實現(xiàn)四種功能所需的兩個覆蓋區(qū)域，但存在以下兩點缺陷：

第一，粒子群算法（POS）是一種優(yōu)化算法，是一種隨機搜索算法，需要復雜的編程、合理的初始值設置以及合理的適應度建立，才可能獲得優(yōu)化目標的實現(xiàn)，難度較大，研制周期長。

第二，文中優(yōu)化的賦形方向圖結果在兩個覆蓋區(qū)域之間的位置未能形成較高的抑制，增益仍很高，天線輻射能量未能得到有效的利用。

另外，形成雙（多）波束的方式是矩陣饋電，如譚茜等人所述[2]，采用矩陣饋電方式可以同時實現(xiàn)多個波束，但同時需要多個饋電通道，如兩個波束則這兩個波束的射頻通道是獨立的。

本文提出了一種簡單實用的設計方法，用以得到汽車后向雷達四種功能覆蓋的優(yōu)化波形，具備設計周期短、輻射效率高等特點。

2 雙波束天線設計方法

本文針對現(xiàn)有賦形算法復雜的缺陷，提出一種簡單明了的車載雷達天線波束賦形方法。本文采取的技術方案是在形成多波束維度天線組陣，確定欲形成的兩個波束指向角θ1和θ2。

3 設計實例

本文根據(jù)此方法設計了一款微帶形式的車載雷達天線。

第一，根據(jù)雷達天線具體要求確定天線所用介質型號和疊層，示意圖見圖1。

金屬層包括：天線層（Top）、金屬地板層（GND）、射頻饋電層（Bottom）;介質層包括：0.254mm厚的Rogers4350B、0.485mm厚的FR4、0.1mm厚的Rogers4350。

圖1 ?天線介質疊層

第二，設計組陣用單列微帶天線，單列天線采用中心饋電的串聯(lián)10個單元，單元饋電按照副瓣25dB的Taylor加權方式，從中心到邊緣依次降低。

第三，根據(jù)雷達功能需求，以及雷達裝車夾角確定天線波束指向，見圖2。本文中，雷達法向與車體后邊沿夾角35°（12），根據(jù)雷達功能覆蓋區(qū)域RCTA和BSD/LCA/DOW覆蓋，估算雷達天線波束A需偏離雷達法向32°（BSD等區(qū)域），天線波束B需偏離雷達法向-38°（RCTA區(qū)域）。

此處控制A波束和B波束的幅度比例，選擇μ=0.75。

第五，設計饋電功分器。根據(jù)上一步驟中計算得到的波束A+B的幅度相位，設計天線陣饋電功分器，見圖3。通過控制微帶線寬調節(jié)饋電幅度，通過調整合路饋電點到各個支路之間的路徑長短控制饋電相位。同時，為減少相位誤差影響，將天線陣分為兩兩一組。其中，第一組和第三組內兩天線鏡像對稱，饋電點相位相差180°。

第六，通過仿真軟件仿真獲得六元天線陣形成的雙波束方向圖，見圖4。其中，一條曲線是單列天線方向圖，另一條曲線是根據(jù)計算幅度和相位獲得的雙波束方向圖。由雙波束天線方向圖曲線可見，A波束指向+32°附近，B波束指向-38°附近，方向圖最大值指向偏差是由于組陣維單元較少的緣故。波束A、B對于BSD/LCA/DOW、RCTA覆蓋區(qū)域的覆蓋圖見圖5，相對于單元天線波束的寬波束覆蓋（圖5中實線方向圖），雙波束方向圖（圖4帶三角形實線方向圖）在關注區(qū)域具有更高的增益覆蓋。

第七，將天線增益轉換到雷達探測距離，雙波束天線相對于單波束天線在探測距離方面有明顯的提高。在保證RCTA探測區(qū)域滿足30m距離的基礎上，將LCA的探測距離由原來的45m提高到75m。

4 結論

本文提出了一種雙波束陣列天線的設計方法。該方法相對于傳統(tǒng)的通過優(yōu)化算法方式線波束賦形的方式，具有方便簡單的特點。實例通過該方法實現(xiàn)了一款用于車載雷達后向用途的角雷達天線陣設計，通過公式計算方便地獲得了用于控制六元陣列的饋電幅度相位，通過仿真驗證，天線方向圖形成了預期的兩個不同指向波束，一個波束指向32°，另一個波束指向-38°。雙波束天線相對于單天線的寬波束覆蓋，在需要覆蓋的區(qū)域具有更高的增益，使得雷達有效探測距離明顯提高。

【參考文獻】

【1】張寧，趙宇楠，張枝高，等.一種用于汽車防撞雷達的波束賦形陣列天線[C]//中國電子學會天線分會.2017年全國天線年會論文集（上冊）.西安：西安電子科技大學出版社，2017：288-291.

【2】譚茜，陳付昌，陳繼鵬.基于改進的Butler矩陣饋電的寬帶雙波束天線陣[C]//中國電子學會天線分會.2019年全國天線年會論文集.西安：西安電子科技大學出版社，2019：1111-1113.