歐陽軍，凌龍輝，馬中華

(1.集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué)海洋信息工程學(xué)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(hù)裝置，但是這些措施都是發(fā)生事故后采取的一些補(bǔ)救措施，是一種被動(dòng)式防護(hù)，因此還是會(huì)造成大量的人員死亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。汽車發(fā)生事故的絕大部分原因是由于司機(jī)來不及采取措施造成的。為避免車禍的發(fā)生，20世紀(jì)60年代，世界上開始研究用于汽車駕駛安全防護(hù)的汽車防撞雷達(dá)，具體研究有超聲波測距、激光探測定位、視頻圖形識別技術(shù)、紅外成像技術(shù)等[1-5]。但是這一時(shí)期微波理論和器件集成度低，研制的防撞雷達(dá)效果較差。

近年來微波理論及微波器件技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是毫米波技術(shù)的應(yīng)用，使得汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的性能出現(xiàn)質(zhì)的飛躍，一些與汽車?yán)走_(dá)相關(guān)的模塊被開發(fā)設(shè)計(jì)出來，如濾波器、混頻器和功率放大器等[6-8]。

毫米波技術(shù)具有遠(yuǎn)距離的探測能力，對灰塵煙霧穿透能力較強(qiáng)，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(dá)一般工作在24 GHz和77 GHz，采用調(diào)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(dá)系統(tǒng)收發(fā)電路重要的組成部分，決定了雷達(dá)系統(tǒng)的體積、作用距離、反應(yīng)速度、系統(tǒng)帶寬、增益、方向性和掃描角度等關(guān)鍵參數(shù)。文獻(xiàn)[10]提出了一種用于76.5 GHz汽車?yán)走_(dá)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(xiàn)[11]采用矩形微帶貼片輻射單元，設(shè)計(jì)48個(gè)陣元的微帶陣列天線，使用改進(jìn)的非均勻加權(quán)振幅激勵(lì)，仿真增益達(dá)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(diǎn)，饋電網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[12]的天線陣列采用兩個(gè)并饋線陣，增益達(dá)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(xiàn)[13]提出改進(jìn)的微帶富蘭克林陣列天線，工作頻率為24 GHz，增益達(dá)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(shí)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(xiàn)[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(luò)的損耗，提高了天線陣的空間利用率，增益達(dá)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(luò)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[15]采用了凱澤貝塞爾函數(shù)進(jìn)行幅度加權(quán)實(shí)現(xiàn)了4×8元陣的天線，有效地抑制了旁瓣電平。文獻(xiàn)[16]采用矩形微帶貼片輻射單元，串并混合饋電方式，設(shè)計(jì)了4×14單元的微帶天線陣列，仿真得到的增益達(dá)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，E面和H面的主瓣波瓣寬度較大，不利于防撞雷達(dá)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(shí)現(xiàn)波束賦形，同時(shí)實(shí)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(dá)天線陣列：用多個(gè)SIR單元構(gòu)成線陣，增加SIR微帶貼片數(shù)目提高增益，調(diào)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(luò)實(shí)現(xiàn)了方向圖的綜合；采用串饋構(gòu)成SIR微帶線陣，且線陣是對稱結(jié)構(gòu)，三個(gè)T型微帶結(jié)將四個(gè)線陣用并饋的方式組合成天線陣列，以實(shí)現(xiàn)同相饋電。

1 SIR理論

SIR微帶結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于濾波器設(shè)計(jì)[18-19]、超材料[20]和天線設(shè)計(jì)[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(gè)串聯(lián)電感，低阻抗的微帶線等效成一個(gè)并聯(lián)電容，它們構(gòu)成了SIR諧振器。SIR諧振器通過調(diào)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(yīng)的諧波頻率，以補(bǔ)償奇數(shù)模式和偶數(shù)模式的不相等相位速度。基于該結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)阻抗比就可以調(diào)節(jié)相應(yīng)的諧振頻率。

2 一維SIR線陣設(shè)計(jì)

選用羅杰斯5880介質(zhì)板，相對介電常數(shù)2.2，損耗角正切0.0009，介質(zhì)板厚度0.508 mm。使用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)軟件對一維線陣進(jìn)行建模，低阻抗微帶寬度加權(quán)，高阻抗微帶寬度不變，組成8個(gè)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(gè)線陣仿真的三維方向圖，線陣是一個(gè)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(gè)扇形輻射特性。單個(gè)線陣的最大增益達(dá)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(shí)XOZ平面和YOZ平面的輻射方向圖。在XOZ面上形成一個(gè)窄波束輻射，最大增益達(dá)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(jìn)行組陣可極大減小YOZ面的波瓣寬度，形成一個(gè)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(shí)，Zin=78.7-j*2.98 Ω；工作頻率為24.125 GHz時(shí)，Zin=109.4-j*0.36 Ω；工作頻率為24.250 GHz時(shí)，Zin=137.4-j*33.6 Ω。需要通過T型結(jié)饋電網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)

天線陣列由8個(gè)SIR線陣單元、3個(gè)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(gè)SIR采用串饋方式構(gòu)成微帶線陣，且線陣是對稱結(jié)構(gòu)。饋電網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)T型結(jié)構(gòu)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(gè)SIR微帶線陣采用并饋方式。

3.1 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.2 四線陣設(shè)計(jì)

將4個(gè)圖2所示的一維線陣和圖6所示的饋電網(wǎng)絡(luò)組合起來構(gòu)成毫米波雷達(dá)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(gè)波長，約為9.36 mm。

用HFSS設(shè)計(jì)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(shí)，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(jié)果，4個(gè)線陣組成陣列后，形成了極窄的主波束輻射，天線增益達(dá)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(dāng)工作頻率為24.000 GHz時(shí)，輸入阻抗為41.3-j*6 Ω；當(dāng)工作頻率為24.125 GHz時(shí)，輸入阻抗為50.1-j*0.5 Ω；當(dāng)工作頻率為24.250 GHz時(shí)，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(nèi)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(dá)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(dá)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(dá)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(shí)物測試結(jié)果

圖13是SIR陣列天線的實(shí)物照片。圖14是反射系數(shù)的測試結(jié)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(nèi)，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(jié)果，在250 MHz工作頻帶內(nèi)，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(diǎn)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(nèi)的增益曲線如圖16所示，在24.000～24.250 GHz頻帶范圍內(nèi)，天線增益都大于18.5 dBi，在通帶內(nèi)增益波動(dòng)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(dá)到11 dB，YOZ面的旁瓣抑制度達(dá)到12 dB。由于介質(zhì)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(jié)構(gòu)的毫米波汽車?yán)走_(dá)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(xiàn)的比較

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于毫米波汽車防撞雷達(dá)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(dá)到250 MHz。天線陣列尺寸為85 mm×42 mm，在微波介質(zhì)板上制作此天線陣后進(jìn)行測試，峰值增益達(dá)到19.4 dBi，旁瓣抑制度達(dá)到11 dB，通帶內(nèi)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(shí)現(xiàn)了高增益、低副瓣、窄波束的特性，非常適合應(yīng)用于汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。