劉煒宸，張祥軍，汪建鋒

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

在過去的幾十年里，伴隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展迅速，經(jīng)濟效益迅速增長，人們的汽車總持有量大幅增加，由于汽車數(shù)量的增加，每年發(fā)生的交通事故也在增加，因交通事故引發(fā)的財產(chǎn)損失只增不減。怎樣讓人們在享受汽車給生活帶來便利的同時,降低交通事故發(fā)生的概率，提高汽車可靠性和安全性，已經(jīng)成為各研究人員與各大汽車廠商的主要關(guān)注點。車載防撞雷達作為可有效預(yù)防交通事故的設(shè)備，逐漸成為研究人員們研究的熱點并引起了消費者廣泛的關(guān)注。車載防撞雷達一般工作在3個頻段：24,35,77 GHz。工作在24 GHz頻段的毫米波汽車防撞雷達一般安裝在汽車后部，可實現(xiàn)變道輔助(LCA)、盲區(qū)監(jiān)測(BSD)以及倒車側(cè)向警告(RCTA)等功能。工作在35 GHz頻段的毫米波汽車防撞雷達一般作為軍事使用應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。而工作在77 GHz頻段的毫米波汽車防撞雷達一般安裝在汽車前部，可用于實現(xiàn)自適應(yīng)巡航(ACC)、緊急制動(AEB)、適應(yīng)巡航(ACC)等功能[1]。

近年來，基于封裝天線(antenna in package,AiP)技術(shù)的汽車防撞雷達吸引了一些研究學(xué)者廣泛關(guān)注。由于基礎(chǔ)微帶貼片天線的尺寸限制，該類型天線的單元增益普遍處于較低水平，單一的天線結(jié)構(gòu)基本很難滿足汽車雷達系統(tǒng)的探測需求。例如，在文獻[2]中所設(shè)計的天線為了增加頻率穩(wěn)定性并且提高天線方向圖效果，通常通過在PCB中刻蝕多層寄生貼片的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。在文獻[3]中實現(xiàn)了一種可用于24 GHz頻段的超寬帶陣列天線，其相對阻抗帶寬能夠達到25 %，該天線適用于短距離汽車雷達系統(tǒng)。文獻[4]顯示了通過改變單元的位置結(jié)構(gòu)與饋電方式等方法來有效降低陣列天線的旁瓣電平，此種設(shè)計實現(xiàn)減少旁瓣對探測結(jié)果的干擾?？捎糜?7 GHz頻段短距離汽車雷達系統(tǒng)。文獻[5]的設(shè)計減小了汽車雷達在進行短距離目標探測時的盲區(qū)范圍，因為該設(shè)計采用Franklin陣列的形式在保證天線在E面方向的方向性的前提下，有效展寬了其H面方向上的波束寬度。此外，文獻[6～8]中還將SIW技術(shù)用于汽車雷達天線及射頻前端的設(shè)計上，與其他陣列相比，SIW縫隙陣列天線便于集成，因此,所需要的尺寸更小。

本文提出一種工作在77 GHz的毫米波汽車防撞雷達天線，該雷達天線實現(xiàn)了高增益、較寬的波束，以保證天線探測有足夠遠的距離和足夠?qū)挼膹V角范圍，從而保證行車安全。本文的設(shè)計則采用AiP技術(shù)，該技術(shù)是過去近20年來為適應(yīng)系統(tǒng)級無線芯片出現(xiàn)所發(fā)展起來的天線解決方案。如今AiP技術(shù)已成為77 GHz無線通信和手勢雷達系統(tǒng)的主流天線技術(shù)。本文所提出的天線可以有效地作用于77 GHz汽車雷達防撞系統(tǒng)中。使用AiP將整個收發(fā)器集成在一個芯片之中，該天線與信號處理芯片一起構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)射頻前端。

1 天線設(shè)計與分析

所提出的防撞雷達發(fā)射天線3D模型如圖1所示，而防撞雷達四通道發(fā)射天線3D模型如圖2所示，由3層金屬和2層基底間隔組合而成，在本文的設(shè)計中，考慮到介質(zhì)相對介電常數(shù)及損耗隨頻率變化的特性，選擇金屬層相對介電常數(shù)為3.38，損耗正切角為0.001，金屬層厚度均為15 μm，尺寸為5 000 μm×9 000 μm×185 μm。

圖1 防撞雷達天線單元結(jié)構(gòu)

圖2 整體防撞雷達天線結(jié)構(gòu)

由于接地層和貼片元件之間的基板厚度很薄，天線的輻射效率會很低，并且大部分能量由于導(dǎo)體和介電損耗而耗散。所以，設(shè)計時在貼片元件下方引入一個特殊金屬層來改善天線的性能。在本文所述方法中，為了實現(xiàn)阻抗匹配，天線采用同軸加共面波導(dǎo)(CPW)的復(fù)合饋電方式。

最底層貼片采用的是共面波導(dǎo)，圖3為底層共面波導(dǎo)的尺寸與形狀，共面波導(dǎo)蝕刻在汽車防撞天線的接地平面上，耦合由縫隙完成，共面波導(dǎo)采用直接饋電，很有效地屏蔽了周圍電磁場。共面波導(dǎo)饋電可以具有更寬的工作頻帶，加工方便，且僅需要單一金屬層，而且，其輻射的遠區(qū)場方向圖具有更好的對稱性。天線上層部分的主輻射貼片，通過同軸線與底層共面波導(dǎo)相連接，因此，共面波導(dǎo)饋電通過同軸線直接給主輻射貼片上，由主輻射貼片進行耦合饋電。敷銅層厚度為15 μm。因為小的介電常數(shù)可以減少諧振腔中儲存的電磁能量，從而降低Q值，展寬帶寬，而且基片厚度太厚的話會激勵起更多的表面波模式，并且改變方向性，所以一般毫米波頻段天線都會選取低介電常數(shù)的薄介質(zhì)基板。

圖3 底層共面波導(dǎo)貼片

為了減少外界對防撞天線的影響，并增加天線帶寬，在天線旁邊放置許多金屬化通孔，抑制能量損耗，從而實現(xiàn)高效率的天線定向輻射。如圖4所示，其中上下部分即為金屬化通孔。另外通過優(yōu)化天線的間距、長度和寬度，實現(xiàn)滿足寬帶和高增益性能的天線陣列。精心設(shè)計天線的所有參數(shù)可以使得對天線的性能影響最小化。天線模型的諧振頻率約77.0 GHz，AiP將整個天線和其他必要器件集成在一個芯片之中，該天線與信號處理芯片一起構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)射頻前端。

圖4 防撞雷達天線三視圖模型

圖5為汽車防撞雷達天線各項參數(shù)最佳尺寸的回波損耗，即S11。從圖5中可以清楚看到,此時的諧振頻率為77.0 GHz，帶寬為76.55～77.57 GHz之間，涵蓋了77 GHz汽車雷達系統(tǒng)的要求，滿足應(yīng)用要求。

圖5 防撞雷達天線駐波仿真與測量結(jié)果

通過優(yōu)化得到天線的結(jié)構(gòu)最優(yōu)質(zhì)值，3個介質(zhì)層厚度分別為H1=80 μm，H2=75 μm，H3=15 μm。金屬鍍層的厚度設(shè)定為15 μm。所提出的汽車防撞天線的最佳尺寸為：L1=5 000 μm，L2=980 μm，W1=1 140 μm，W2=164 μm，W3=9 000 μm，L3=1 656 μm，L4=625 μm，L5=200 μm，W4=630 μm，R=90 μm。

2 仿真與測量結(jié)果

為了驗證所提出的天線，對所設(shè)計的防撞天線進行了制作和測試。汽車防撞天線的諧振頻率為77.0 GHz。根據(jù)天線理論，借助計算機仿真技術(shù)，設(shè)計了汽車防撞天線模型，給出了其最佳參數(shù)與輻射性能，并加工制作毫米波天線樣機。圖5所示為天線輸入端口反射S11測試結(jié)果，由圖可見，實測陣列天線諧振頻率在77.14 GHz處，與優(yōu)化后仿真的天線諧振頻率略有偏差，主要是在毫米波段加工精度問題，但還滿足天線的工作要求，由圖可見，實測陣列天線諧振頻率在77.14 GHz處，與優(yōu)化后仿真的天線諧振頻率偏差140 MHz，可能是在毫米波段加工的精度問題，但還滿足天線的工作頻段，由圖可知，仿真結(jié)果在76.47～77.46 GHz，S11<-10 dB，駐波良好，實測結(jié)果表明，該天線的工作頻段在76.57～77.56 GHz，且S11<-10 dB。圖6所示為防撞雷達天線各項參數(shù)取最優(yōu)值時的天線方向圖測試值，峰值增益為8.63 dBi，3 dB波瓣寬度76°。由此可知，天線可以滿足77 GHz汽車雷達系統(tǒng)的要求。圖7為天線實物演示。

圖6 77 GHz處防撞雷達天線遠場輻射方向圖

圖7 防撞雷達實物

3 結(jié) 論

本文提出了一種新型77 GHz汽車雷達防撞天線，仿真結(jié)果表明：該天線具有高增益、低副瓣、窄波束等優(yōu)點，在仿真優(yōu)化基礎(chǔ)上對天線進行了加工和測試，基于天線內(nèi)AiP設(shè)計，具有進一步減少設(shè)計尺寸和減少封裝損耗的優(yōu)點，使得設(shè)計尺寸達到微米(μm)級別。這種結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)越的天線能有效滿足77 GHz車載防撞雷達的要求，在該領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。