摘 要：針對微帶天線輻射功率低、金屬波導不易集成化等問題，同時具備微帶和波導雙重優(yōu)勢的基片集成波導（SIW）在雷達通信領域備受矚目。基于三維電磁仿真軟件HFSS，設計了工作于W波段，中心頻率為77 GHz的十元SIW縫隙線陣、微帶線-SIW轉接器及一分十二樹狀功率分配器，繼而提出了一款車載毫米波雷達12×10 SIW橢圓形縫隙面陣。為有效提高設計效率，在MATLAB中使用HFSS-MATLAB-API（HMA）生成VBScript腳本，調用HFSS自動建模進行天線3D布局及電磁兼容性仿真，并使用遺傳算法優(yōu)化。仿真結果顯示，該陣列增益為20.6 dBi，回波損耗很小，E面和H面的3 dB波束寬度分別為8°和14.3°，輸入反射系數諧振頻點在77 GHz時小于-20 dB。所設計天線效率高、剖面低、方向性強，易于集成且阻抗匹配良好，在車載物聯網（IoT）和毫米波系統(tǒng)中應用前景廣闊。

關鍵詞：基片集成波導；縫隙陣列天線；物聯網；W波段；車載毫米波雷達；HFSS-MATLAB-API

中圖分類號：TP39；TN822+.4；TN823+.24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-07

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.012

0 引 言

車載毫米波雷達天線是物聯網中用于車輛感知和通信的重要組成部分。隨著雷達設備愈發(fā)的小型化和低成本化，使得雷達在汽車防撞領域的應用成為現實，大部分國家已將24 GHz和77 GHz頻段分配給車載雷達使用[1]。其中，77 GHz頻段位于W波段，該頻段的車載毫米波雷達憑借分辨率高、探測距離遠、質量輕、帶寬大、抗干擾能力強等優(yōu)勢被廣泛應用于無人駕駛領域[2]。由于物聯網（IoT）、通信雷達等領域對于小型化、高增益天線的需求不斷增大[3]，微帶陣列、波導縫隙陣列[4]等高增益天線備受矚目。微帶天線具有尺寸小、重量輕的優(yōu)勢，易于實現集成化、微型化，可廣泛應用于通信系統(tǒng)平面設計領域[5]。但微帶傳輸線的開放結構會導致能量泄漏、輻射等問題，使得微帶天線輻射功率較低[6]。與之相比，金屬波導具有插入損耗低、對比度高、抗干擾能力強等優(yōu)點[7]，雖然可以彌補微帶結構的缺陷，但占用空間較大、不利于高度集成[8]且價格昂貴。

基片集成波導（SIW）結構通過在介質基板對稱排列兩列周期性金屬銷釘，實現了一種性能優(yōu)異的類波導結構，可有效解決上述問題。它不僅同時具備平面微帶和傳統(tǒng)金屬波導雙重優(yōu)勢，且相較于傳統(tǒng)金屬波導，更易于實現低剖面、小型化[9]，迎合了物聯網設備[10]逐步邁向小型化、緊湊化的趨勢；相較于平面微帶，其具有低損耗、高品質因數等優(yōu)勢[11]，因此應用廣泛?；赟IW的縫隙陣列天線具有高增益、低剖面、低加工成本和波束易賦形等優(yōu)勢[12]，極好地滿足了77 GHz車載毫米波雷達對發(fā)射天線在結構上和性能上的嚴苛要求。文獻[13]設計了兩款陣元分布形式的77 GHz微帶陣列天線，利用Chebyshev分布和指數分布進行設計并將二者對比。文獻[14]設計了一種由SIW樹狀功分器饋電的77 GHz微帶陣列天線，可實現45°極化輻射模式。文獻[15]采用威爾金森功分器和Taylor分布設計了一種77 GHz微帶陣列天線。文獻[16]設計了應用于單脈沖跟蹤系統(tǒng)的Ka波段緊湊型單層縫隙陣列天線。

針對物聯網系統(tǒng)對最大化毫米波利用率的需求，本文基于SIW技術[17]，采用寬邊諧振式縱縫，在理論分析的基礎上，利用MATLAB、三維電磁仿真軟件Ansys HFSS[18]以及CST對SIW縫隙陣列天線進行參數優(yōu)化和參量化研究，一體化設計和仿真了一款應用于77 GHz頻段的車載毫米波雷達發(fā)射天線，進一步提高了傳感器分辨率。該天線具有成本低、增益高、波束窄和易于與微波電路集成等良好性能，在車載物聯網和毫米波系統(tǒng)中應用前景廣闊。

1 結構分析及設計方法

1.1 基片集成波導等效理論

SIW結構具有周期性，在介質基板邊緣處按照相同間距對稱嵌入兩列金屬化銷釘，形成電壁，來等效模擬波導的結構和功能[19]。在介質上下表面鍍上薄金屬層，使得上下金屬層和兩列金屬通孔構成類波導結構，進而在介質基片上實現波導的場傳播模式。SIW具有Q值高、損耗低、抗干擾能力強、集成度高等優(yōu)良特性，在雷達和無線通信等領域均具有廣闊的應用前景[20]。SIW基本結構如圖1所示。

圖1中，d是金屬通孔直徑，s是相鄰通孔間距，a是兩列金屬通孔間距（SIW寬度），p是金屬通孔高度，h是介質板厚度（在HFSS中可認為p=h），介質板相對介電常數為εr。設計時需滿足如下關系：

根據式（1）要求，利用MATLAB計算可知，本文所設計的SIW選取通孔直徑d=0.195 mm，相鄰通孔間距為s=1.5d≈0.29 mm。

1.2 SIW縫隙天線設計方法

首先根據工作頻率f=77 GHz確定等效波導寬度，進而通過等效寬度的公式來確定SIW寬度。為使等效波導傳輸主模TE10模，需滿足：

為保證僅有TE10模傳輸，需確保不能出現距離最近的TE20模，故需滿足：

為方便計算，使頻率f與截止頻率fc1和fc2三者滿足以下關系：

利用MATLAB計算得到等效矩形波導的寬度aRWG為1.9 mm，等效矩形金屬波導模型的歸一化寬度a的經驗公式如下：

其中：

SIW實際寬度為：

故可求得本設計中a=2.1 mm。

2 天線設計及仿真結果分析

2.1 W波段SIW寬邊橫向串聯橢圓形縫隙線陣

不同的開縫位置和縫隙形狀、大小直接影響著縫隙天線的輻射特性。通過傳統(tǒng)矩形金屬波導縫隙天線理論計算，確定結構參數設計初值后，在HFSS軟件中建立一個采用邊饋形式的十元寬邊橫向SIW串聯橢圓形縫隙線陣。

當頻率較高時，應盡可能選取厚度薄、損耗低、介電常數大的板材。由于所設計的SIW縫隙陣列天線設計頻率為高頻77 GHz，故介質基板選用Rogers 5880，相對介電常數為2.4，損耗角正切為0.001 4。隨著縫隙數量增加，波瓣變窄且增益增大，缺點是旁瓣增多且尺寸變大。綜合考慮后選擇縫隙個數為10，縫隙激勵電流幅度分布為Chebyshev加權分布。SIW十元寬邊橫向串聯橢圓形縫隙線陣如圖2所示。

為使微帶線到SIW結構匹配良好，本節(jié)設計了圖2左部分的微帶線-SIW轉接器。該結構右端與SIW銜接，左端與特性阻抗為50 Ω的微帶線銜接，通過漸變結構實現阻抗匹配。設計時需保證轉換器在較寬的帶寬內，匹配良好且插損較小。需要確定微帶過渡結構與SIW相連接的微帶傳輸線的線寬W1、50 Ω微帶線對應的最左側線寬W2以及過渡線的長度L。利用MATLAB計算得到SIW邊緣處阻抗Ze=138 Ω，通過Txline可求得最右側線寬W1=0.155 mm。依此類推，可求得最左側線寬W2=1.4 mm。為使微帶和SIW匹配更佳，L的長度接近1/4介質波長，最后通過HFSS軟件優(yōu)化仿真使得過渡結構在77 GHz處反射系數S11最小。

線陣優(yōu)化主要通過調節(jié)波導波長Lg和短路端距離es來修正諧振頻率至77 GHz；調節(jié)長度L和微帶線靠近SIW端的阻抗寬度W1來修正零深深度；調節(jié)縫隙偏置d1～d5和長度L1～L5來修正副瓣水平。經過仿真優(yōu)化后的端饋線陣參數尺寸見表1。

由于10個橢圓形縫隙對稱分布，因此表1中只給出5個縫隙的參數。通過圖3的HFSS仿真結果可以觀察到，線陣中心頻率匹配至77 GHz，此時回波損耗為-21.2 dB，并且在76.4～78 GHz頻段內小于-10 dB。在76.38～78 GHz頻段內VSWR小于2，在77 GHz處仿真最大增益為12.7 dBi，H面方向圖3 dB波束寬度為11.2°，端饋線陣性能良好，為后續(xù)平面陣列的設計奠定了基礎。

2.2 一分十二SIW功分網絡的設計與仿真

為了后續(xù)W波段基片集成波導12×10橢圓形縫隙陣列天線的實現，本節(jié)對SIW功分器進行了研究與仿真，設計了一種中心頻率為77 GHz的一分十二等分T型樹狀功分器，如圖4所示。

該功分器主要劃分為四級單元，由11個一分二的T型功分器組成，總輸入端口編號為1，輸出端口編號依次為2～13。在SIW中加載感性銷釘結構，以便減少能量反射，提高仿真性能。由于位于正中央位置時損耗最低，故默認將銷釘設置于中心處，再通過調節(jié)銷釘的位置實現阻抗匹配和功率分配，降低S11參數。當N路平均分配時，理想分配損耗計算公式為：分配損耗（dB）=10 log（1/N），據此可知，二等分功率分配器分配損耗為3 dB，一分四功分器為6 dB，一分八功分器為9 dB，一分十二功分器為10.8 dB。

設置的掃頻范圍為76～78 GHz，通過圖5可以看出，S11均小于-10 dB，反射系數較低。第一級兩端口傳輸系數接近理論值-3 dB，整體在-3.01～-3.14 dB范圍內波動；第二級四端口傳輸系數接近理論值-6 dB，整體在-6.01～-6.37 dB范圍內波動；第三級八端口傳輸系數接近理論值-9 dB，整體在-9.01～-9.35 dB范圍內波動?？梢娫摴Ψ制鞣确€(wěn)定，傳輸損耗較小。通過調節(jié)1～3級單元結構中心金屬通孔的縱向位置D1和通孔半徑R1以及四級單元的D2、R2，進而達到等分功率、抑制反射的作用。

由圖5（d）十二等分功率分配器電場分布可知，本設計利用SIW結構實現四面金屬環(huán)繞，將電場束縛在介質內部，功分器帶內反射率低，能量可有效傳輸到各個端口。因此，該樹狀功分器可應用于77 GHz車載毫米波雷達SIW縫隙面陣的設計中。

3 W波段低剖面SIW橢圓縫隙面陣設計

作為汽車測速和測距的關鍵元件，車載毫米波雷達陣列天線需同時滿足多個要求，包括副瓣低、增益高、尺寸小、波束窄、方向性好、分辨力強和易于集成化等。現將12個SIW縫隙線陣通過一分十二SIW樹狀功分器組合在一起，設計了W波段基片集成波導12×10單元的橢圓形縫隙面陣，天線整體結構如圖6所示。所設計的陣列天線包含微帶線-SIW轉接器、一分十二樹狀功分器和12×10縫隙陣列天線，整體結構緊湊，易于集成。

3.1 HFSS-MATLAB-API應用

由于SIW縫隙陣列天線設計理論完善，且設計過程存在大量重復性仿真迭代工作。因此，為有效提高設計效率，本文使用了HFSS-MATLAB-API（HMA）自動生成12×10基片集成波導縫隙陣列天線，實現了自動化設計流程。圖7為程序設計流程，主要分為MATLAB建模環(huán)境設計及HFSS仿真環(huán)境設計，首先在MATLAB環(huán)境中，設置了仿真路徑，計算并定義了天線的各項參數，接收參量化建模，配置了輻射邊界及激勵條件，再使用HMA運行m文件生成VBScript腳本，最后利用腳本調用HFSS自動建模進行天線3D布局及電磁兼容性仿真。可根據實際使用條件任意更換所需頻率、材料介電常數、損耗角正切等相關參數，自動生成符合要求的同類型天線，在此基礎上進行仿真及優(yōu)化可有效提高設計效率。

針對SIW縫隙陣列天線所設計的自動化流程，不僅減少了手動操作的時間，增加了仿真容錯率，而且使得天線設計過程更加靈活高效。通過更改MATLAB中的參數，可輕松調整天線的性能，以滿足不同的應用需求。

3.2 遺傳算法優(yōu)化

由于縫隙結構涉及的參數較多、微帶傳輸線輻射損耗較大，故需針對部分重要參數進行優(yōu)化與分析。通過HFSS與MATLAB軟件的數據交互可高效解決此問題。將HFSS的仿真結果導入MATLAB，利用GA迭代優(yōu)化得到最優(yōu)參數后，再將其導回HFSS仿真。GA流程如圖 8所示。

HMA可以在HFSS中自動建立和模擬天線模型，而遺傳算法用于高效搜索最優(yōu)解，以在77 GHz頻段實現小尺寸、高增益等性能。天線設計模型如式（10）所示：

式中：f1（x）為回波損耗優(yōu)化函數；f2（x）為增益優(yōu)化函數；f3（x）為尺寸優(yōu)化函數。Qi計算公式如下：

Gi（x）及Ri（x）分別代表目標增益和實際增益，當后者大于前者時Qi（x）=0，否則取兩者差值。目標函數F（x）為：

式中：ω1、ω2和ω3分別為上述三個優(yōu)化目標的權重因子，根據優(yōu)化目的及經驗分別將其設置為0.3，0.2，0.5；x表示優(yōu)化種群，x=xN代表當前正在計算種群中第N個個體的目標函數值。通過確定進化N代后適應度函數值最高的個體，即得到目標函數值的最優(yōu)解。

本節(jié)需優(yōu)化5個參數，分別為波導波長Lg、半徑R1～R2及相對距離D1～D2，將其作為基因構成染色體。綜合考量優(yōu)化效果及時間因素后，設置初始種群規(guī)模N為100，交叉概率為0.8，變異概率為0.05，循環(huán)次數為100。最終優(yōu)化后的參數近似為波導波長Lg=3.695，半徑R1和R2分別為0.219、0.143，相對距離D1和D2分別取0.416、0.327。

3.3 面陣仿真結果分析

優(yōu)化完成后進行面陣整體仿真，由圖9可知，面陣諧振頻率為77 GHz，位于W波段，阻抗匹配良好，此時S11=-31 dB，并且在76.75～77.53 GHz頻段內S11lt;-10 dB。77 GHz時仿真最大增益為20.9 dBi，E面方向圖主瓣波束寬度為17°，整體性能良好，在微波和毫米波系統(tǒng)中應用前景廣闊。

3.3.1 優(yōu)化及數據后處理分析

本文利用HFSS-MATLAB-API及遺傳算法對所設計天線實現了自動生成及優(yōu)化，還使用電磁仿真軟件HFSS直接對此天線完成了設計及數據處理。

由于陣列單元較多、微帶傳輸線輻射損耗較大，仿真結果可能會出現中心頻點偏移、增益較低等現象，故需針對縫隙面陣中各參數進行系統(tǒng)的優(yōu)化。優(yōu)化過程中需耗費大量系統(tǒng)內存，通過參量化研究可得出以下結論：

（1）寬度a與諧振頻率成反比，在一定范圍內，隨著寬度a的增加，諧振頻率減小，副瓣電平增大，S11曲線深度隨之改變。但改變a后整體性能都會受影響，故需謹慎調整。

（2）隨著短路端距離es增大，諧振頻率降低，S11曲線深度也隨之改變。

（3）縫隙長度決定了切割電流線的數量，進而影響了縫隙的輻射強度，對諧振頻率、方向圖及副瓣電平均有影響。

（4）隨著縫隙寬度增大，諧振頻率減小，副瓣電平增大，會影響輻射效果，故需謹慎調整。

（5）縫隙偏置決定了電流線的疏密程度，進而影響了縫隙的輻射強度，可適當微調以改善S11曲線深度及諧振頻點。

（6）微帶線寬度W1對零深深度及位置均有影響。

因此，當仿真結果諧振頻率較低時，可考慮優(yōu)先微調縫隙長度、結構中心金屬銷釘的縱向位置和微帶線寬度。

3.3.2 天線性能比較

由表2可知，本文所設計的天線相較于其他設計，具有小尺寸、低剖面等優(yōu)勢，更符合物聯網設備對微型天線的要求。文獻[21]所設計的天線長度為61.67 mm，高度為5.5 mm；文獻[22]中設計的產品尺寸為15.4 mm×30.7 mm，高度為0.508 mm。相較而言，本文所設計的天線尺寸及剖面優(yōu)勢較明顯。

4 結 語

針對傳統(tǒng)波導縫隙陣列天線重量過大的問題，依據陣列天線分析與綜合理論，利用 MATLAB協同 HFSS進行建模仿真，基于SIW結構，對縫隙天線的主要結構參數進行了參量化仿真優(yōu)化，繼而提出了一款可應用于車載毫米波雷達發(fā)射端的SIW橢圓形縫隙陣列天線。首先，基于類波導縫隙陣列天線設計理論，設計并優(yōu)化了W波段十元寬邊橫向串聯縫隙線陣、1×12功分網絡及微帶線-SIW轉接結構，最后在77 GHz頻段實現了12×10單元低剖面SIW橢圓縫隙陣列天線。面陣仿真結果顯示，該天線效率及增益較高，波束窄，方向性好，實用性強。本設計避免了復雜的人力計算成本，天線加工成本低廉，且易于集成，可廣泛應用于車載物聯網、無線通信等領域。

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作者簡介：馬家琪（2001—），女，碩士，研究方向為無線射頻技術、電磁場與微波技術。

李春樹（1974—），男，碩士，教授，研究方向為無線通信、信道編碼及圖像處理等。

來 翔（1999—），男，碩士，研究方向為多目標跟蹤、圖像處理。

收稿日期：2024-04-22 修回日期：2024-05-29

基金項目：寧夏大學研究生創(chuàng)新項目（CXXM202402）