歐陽軍，凌龍輝，馬中華

(1.集美大學航海學院，福建 廈門 361021；2.集美大學海洋信息工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

交通事故主要由超速、疲勞和違規(guī)駕駛所致，多為車車相撞或車人(物)相撞。雖然所有的汽車都配備了安全帶、安全氣囊等防護裝置，但是這些措施都是發(fā)生事故后采取的一些補救措施，是一種被動式防護，因此還是會造成大量的人員死亡和巨大的經(jīng)濟損失。汽車發(fā)生事故的絕大部分原因是由于司機來不及采取措施造成的。為避免車禍的發(fā)生，20世紀60年代，世界上開始研究用于汽車駕駛安全防護的汽車防撞雷達，具體研究有超聲波測距、激光探測定位、視頻圖形識別技術、紅外成像技術等[1-5]。但是這一時期微波理論和器件集成度低，研制的防撞雷達效果較差。

近年來微波理論及微波器件技術的迅速發(fā)展，特別是毫米波技術的應用，使得汽車雷達系統(tǒng)的性能出現(xiàn)質的飛躍，一些與汽車雷達相關的模塊被開發(fā)設計出來，如濾波器、混頻器和功率放大器等[6-8]。

毫米波技術具有遠距離的探測能力，對灰塵煙霧穿透能力較強，受氣候的影響較弱，在黑暗或惡劣的環(huán)境中相對性能更好[9]。毫米波系統(tǒng)的防撞雷達一般工作在24 GHz和77 GHz，采用調頻連續(xù)波(frequency modulated continuous wave，F(xiàn)MCW)制式工作。而天線作為毫米波雷達系統(tǒng)收發(fā)電路重要的組成部分，決定了雷達系統(tǒng)的體積、作用距離、反應速度、系統(tǒng)帶寬、增益、方向性和掃描角度等關鍵參數(shù)。文獻[10]提出了一種用于76.5 GHz汽車雷達系統(tǒng)的45°線極化微帶梳狀天線陣列，天線增益為11.4 dBi，旁瓣電平低于-16.5 dB。文獻[11]采用矩形微帶貼片輻射單元，設計48個陣元的微帶陣列天線，使用改進的非均勻加權振幅激勵，仿真增益達到19.82 dB，天線尺寸為73 mm×84 mm,E面的波瓣寬度為23°，H面的波瓣寬度為12.8°，旁瓣電平為-14.5 dB,U形槽在饋線的兩邊，改變槽的深度即改變饋電點，饋電網(wǎng)絡比較復雜。文獻[12]的天線陣列采用兩個并饋線陣，增益達到20 dBi，旁瓣電平較低，E面的3 dB波束寬度為24°，H面的3 dB波束寬度為9°。文獻[13]提出改進的微帶富蘭克林陣列天線，工作頻率為24 GHz，增益達到7.2 dBi，E面的3 dB波束寬度小于20°，H平面的3 dB波瓣寬度小于80°，可實現(xiàn)大面積覆蓋，天線的10 dB阻抗帶寬約為250 MHz，天線尺寸為90 mm×25 mm，波束較寬，旁瓣電平較大。文獻[14]提出工作頻率為24 GHz 諧振式串并聯(lián)饋電的微帶平面陣列天線，和單純的并饋或者串饋相比減小了饋電網(wǎng)絡的損耗，提高了天線陣的空間利用率，增益達到22 dBi，3 dB波束寬度為12°，旁瓣電平為-12 dB，采用36元陣，尺寸為68.89 mm×68.89 mm，但饋電網(wǎng)絡較為復雜。文獻[15]采用了凱澤貝塞爾函數(shù)進行幅度加權實現(xiàn)了4×8元陣的天線，有效地抑制了旁瓣電平。文獻[16]采用矩形微帶貼片輻射單元，串并混合饋電方式，設計了4×14單元的微帶天線陣列，仿真得到的增益達到21.7 dBi，水平方向波瓣寬度為8.8°，垂直方向的波瓣寬度為18.7°，旁瓣電平為-13 dB，天線尺寸為124.6 mm×35.6 mm。以上大都采用矩形微帶單元組成天線陣列，饋電結構比較復雜，E面和H面的主瓣波瓣寬度較大，不利于防撞雷達的障礙物判斷，且面積較大。

為了提高天線的方向性和增益，實現(xiàn)波束賦形，同時實現(xiàn)波束的相控掃描和低副瓣電平的方向圖[17]，本文提出了基于階梯阻抗諧振器(stepped-impedance resonator，SIR)微帶線陣的24 GHz毫米波雷達天線陣列：用多個SIR單元構成線陣，增加SIR微帶貼片數(shù)目提高增益，調整不同的SIR尺寸控制工作頻帶的大小，采用簡單的功率分配網(wǎng)絡實現(xiàn)了方向圖的綜合；采用串饋構成SIR微帶線陣，且線陣是對稱結構，三個T型微帶結將四個線陣用并饋的方式組合成天線陣列，以實現(xiàn)同相饋電。

1 SIR理論

SIR微帶結構被廣泛應用于濾波器設計[18-19]、超材料[20]和天線設計[21]。高低阻抗的微帶線串聯(lián)組成SIR諧振器。高阻抗的微帶線等效成一個串聯(lián)電感，低阻抗的微帶線等效成一個并聯(lián)電容，它們構成了SIR諧振器。SIR諧振器通過調整兩段微帶的阻抗比和高低阻抗微帶線的長度來控制與它相對應的諧波頻率，以補償奇數(shù)模式和偶數(shù)模式的不相等相位速度?；谠摻Y構，可以獲得較寬的諧振頻帶。在圖1中較寬的微帶為低阻抗值，較窄的微帶為高阻抗值，分別具有電長度為θ1和θ2的不同特征阻抗(Z1和Z2)。兩條微帶傳輸線分別具有不同的特征阻抗和不同的電氣長度。

從開路端的輸入阻抗Zin可得出SIR的基本諧振條件[22]，可以寫為：

Zin=jZ2(Z2tanθ2+Z1tanθ1)/(Z2-Z1tanθ1tanθ2)。

由于開路，輸入阻抗為無窮大，即Z2-Z1tanθ1tanθ2=0，于是得到阻抗比

k=Z2/Z1=tanθ1tanθ2。

即，調節(jié)阻抗比就可以調節(jié)相應的諧振頻率。

2 一維SIR線陣設計

選用羅杰斯5880介質板，相對介電常數(shù)2.2，損耗角正切0.0009，介質板厚度0.508 mm。使用高頻結構仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)軟件對一維線陣進行建模，低阻抗微帶寬度加權，高阻抗微帶寬度不變，組成8個SIR線陣，且線陣也是對稱的，如圖2所示。高阻抗微帶和饋線寬度固定為0.4 mm，高阻抗微帶線的長度為4.1 mm，饋線長度0.2 mm；從饋線開始低阻抗微帶寬度依次為1.28，2.38，3.48，4.58，4.58，3.48，2.38，1.28 mm，長度全部為4.1 mm。

圖3是單個線陣仿真的三維方向圖，線陣是一個扇形體輻射。沿著線陣方向的YOZ面為H面，與線陣垂直方向的XOZ面為E面，Phi指沿著線陣平面的水平方向角度。在XOZ面主瓣寬度非常窄，在YOZ面是一個扇形輻射特性。單個線陣的最大增益達到了16.6 dBi，旁瓣很小。

圖4是單元線陣在天線工作頻率為24.125 GHz時XOZ平面和YOZ平面的輻射方向圖。在XOZ面上形成一個窄波束輻射，最大增益達到16.4 dBi，主瓣3 dB寬度為10°，旁瓣電平抑制度為17.9 dB。在YOZ面上為半圓形輻射。這種線陣單元再進行組陣可極大減小YOZ面的波瓣寬度，形成一個窄波束輻射特性。

圖5是單元線陣輸入阻抗特性曲線圖，在工作頻率為24.000 GHz時，Zin=78.7-j*2.98 Ω；工作頻率為24.125 GHz時，Zin=109.4-j*0.36 Ω；工作頻率為24.250 GHz時，Zin=137.4-j*33.6 Ω。需要通過T型結饋電網(wǎng)絡將單元線陣的輸入阻抗匹配到特性阻抗為50 Ω。

3 天線陣列設計

天線陣列由8個SIR線陣單元、3個T型微帶功分器和6條四分之一微帶阻抗變換器組成。8個SIR采用串饋方式構成微帶線陣，且線陣是對稱結構。饋電網(wǎng)絡由3個T型結構的一分二、二分四的功分器和四分之一波長阻抗變換器組成，4個SIR微帶線陣采用并饋方式。

3.1 饋電網(wǎng)絡設計

3.2 四線陣設計

將4個圖2所示的一維線陣和圖6所示的饋電網(wǎng)絡組合起來構成毫米波雷達天線陣列，如圖7所示。該陣列尺寸為75 mm×33 mm，基板尺寸為85 mm×42 mm，線陣單元之間的間隔是一個波長，約為9.36 mm。

用HFSS設計軟件建模仿真，得到天線陣列輸入端的反射系數(shù)和電壓駐波比(voltage standing wave ratio，VSWR)曲線分別如圖8和圖9所示。表1為在工作頻率24.000，24.125，24.250 GHz時，反射系數(shù)、VSWR和輸入阻抗的具體數(shù)值。

表1 天線陣列反射系數(shù)、VSWR和輸入阻抗的數(shù)值

圖10是天線陣列三維方向圖的仿真結果，4個線陣組成陣列后，形成了極窄的主波束輻射，天線增益達到21.6 dBi，旁瓣電平較低。圖11是仿真的陣列天線輸入阻抗曲線圖，當工作頻率為24.000 GHz時，輸入阻抗為41.3-j*6 Ω；當工作頻率為24.125 GHz時，輸入阻抗為50.1-j*0.5 Ω；當工作頻率為24.250 GHz時，輸入阻抗為45.7-j*14 Ω。電阻基本接近50 Ω，在250 MHz工作帶寬內電抗較小。

圖12是天線陣列在XOZ面和YOZ面的輻射方向仿真圖。在24.000 GHz工作頻率下，峰值增益達到21.65 dBi，XOZ面主瓣的3 dB波瓣寬度為10°，YOZ面主瓣的3 dB波瓣寬度為17°，旁瓣電平抑制度為11.6 dB；在24.125 GHz工作頻率下，峰值增益達到21.67 dBi，XOZ面主瓣的3 dB波瓣寬度為10°，YOZ面主瓣的3 dB波瓣寬度為16°，旁瓣電平抑制度為12.35 dB；在24.250 GHz工作頻率下，峰值增益達到21.47 dBi，XOZ面主瓣的3 dB波瓣寬度為11°，YOZ面主瓣的3 dB波瓣寬度為16°，旁瓣電平抑制度為10 dB。

4 實物測試結果

圖13是SIR陣列天線的實物照片。圖14是反射系數(shù)的測試結果，反射系數(shù)小于-10 dB的頻帶很寬。在24.000～24.250 GHz工作頻帶內，反射都小于-14 dB。在中心頻率24.125 GHz上，反射系數(shù)為-14.84 dB；在24.000 GHz頻率上，反射系數(shù)為-14.32 dB；在24.250 GHz頻率上，反射系數(shù)為-15.9 dB。圖15是天線陣列輸入端口的電壓駐波比測試結果，在250 MHz工作頻帶內，電壓駐波比都小于2。在中心頻率24.125 GHz處VSWR為1.64；在24.000 GHz處為1.41；在24.250 GHz處為1.91。在24.125 GHz頻點上，待測天線的功率為-54.215 dBm，對比天線的功率為-53 dBm，待測天線比對比天線小1.2 dB，那么待測天線的增益=20.6-1.2=19.4 dBi。將參考天線的增益及接收功率和被測天線陣列對比，得到此天線陣列在23～25 GHz范圍內的增益曲線如圖16所示，在24.000～24.250 GHz頻帶范圍內，天線增益都大于18.5 dBi，在通帶內增益波動只有0.9 dB。

圖17和圖18分別是在中心頻率24.125 GHz上測試天線XOZ面和YOZ面的輻射方向圖。XOZ面主瓣的3 dB波瓣寬度10°，YOZ面主瓣的3 dB波瓣寬度17°；XOZ面的旁瓣抑制度達到11 dB，YOZ面的旁瓣抑制度達到12 dB。由于介質板背面有接地層，因此天線反向輻射較小。表2為其他24 GHz微帶天線陣列特性和本研究的對比，由表2可見本文提出的基于SIR結構的毫米波汽車雷達天線陣列在增益、波瓣寬度和尺寸方面都具有較好的性能。

表2 SIR天線陣列特性和其他文獻的比較

5 結論

本文設計了一種用于毫米波汽車防撞雷達的SIR微帶天線陣列，工作頻率在24.000～24.250 GHz之間，工作帶寬達到250 MHz。天線陣列尺寸為85 mm×42 mm，在微波介質板上制作此天線陣后進行測試，峰值增益達到19.4 dBi，旁瓣抑制度達到11 dB，通帶內的電壓駐波比小于1.5。XOZ面的主瓣寬度只有10°，YOZ面的主瓣寬度只有17°，可以精確探測到前方的物體。實現(xiàn)了高增益、低副瓣、窄波束的特性，非常適合應用于汽車雷達系統(tǒng)。