毫米波汽车雷达微带天线设计*

侯亚玲

（西安欧亚学院 陕西 西安 710065）

引言

近年来国民经济水平逐步提高，机动车的数量呈现迅速增长趋势，逐渐复杂的道路交通环境促使我国对于智能交通管理系统的要求向智能化、实时化、全面化发展，想要达到这个要求，必须依赖可靠、实时和准确的检测数据，视频、雷达等检测手段提供了多模式的大数据。而毫米波雷达具有的技术优势在智能交通领域扮演着重要角色。机动车数量的高速增长带来的拥堵、事故、环境恶化等一系列交通问题，使交通安全成为社会关注的热点话题。毫米波防撞雷达系统以其独特的优越性，成为近年来研究和发展车载防撞雷达系统的主流技术，天线作为毫米波雷达的重要组成部分，直接影响着系统的总体成本。

根据雷达利用电磁波反射特性来发现目标并计算出目标距离和速度的工作原理，防撞雷达天线需要具有以下几个特点：

1）具有足够的工作带宽；

2）体积小结构紧凑，易于集成；

3）根据雷达安装位置可对天线主波束偏角进行设计。

微带天线是近年来逐渐发展起来的一类新型天线。在民用上面常见于微波雷达传感器，相对于传统的喇叭天线，传感器具有体积小，方向性好，使用方便等特点。因此，机动车辆的防撞雷达天线多采用微带阵列天线。目前车载防撞雷达天线的工作频率一般选择在 24GHz、35GHz和77GHz。其中77 GHz频率太高，对器件的加工精度要求非常严苛，而35 GHz的Ka频带内多为军用频段。为了避免干扰，因此本文的车载防撞雷达天线基于24GHz的工作频率进行设计[1]。

1 微带天线的辐射机理

微带天线（microstrip antenna）是由很薄的有一定形状的金属贴片，以远小于波长的间隔置于一接地导电板上面构成的。微带贴片与接地平板间有一称为基片的介质层隔开。辐射单元通常刻在介质基片上。贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆形或三角形等[2]。微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏，它的电磁场是可以无限延伸的，这样微带线的场空间由两个不同介电常数的区域（空气和介质）构成。

如果在接地板上刻蚀缝隙，而在介质基片的另一面印制微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。结构如图1所示。

图1 微带贴片天线

微带天线现已应用于大约100MHz~500GHz的宽广频域上的大量无线电设备中，如卫星通信、雷达、环境检测仪表及医用微波辐射计等[2]。与普通微波天线进行比较，优势如下：

1）质量轻，体积小，剖面薄，并可制成与载体（如飞行器）共形；

2）电性能的多样化，容易实现双频段、双极化等；

3）能与有源器件和电路集成为统一的模件；4）微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。

通常的微带贴片天线是一个半波辐射结构，基本的工作模式是TM10或TM01，TM10模式意味着电场在长度L方向上有二分之一个导波波长的改变，而在宽度W方向上保持不变，矩形微带天线的长度L[3]、品质因数Q[3]和工作带宽BW[3]理论上如下式所示：

式中：c为真空光速，c=3×108m/s；ξr为介质基底的介电常数;f是谐振频率；h为介质板厚度，S代表天线输入端电压驻波系数；Q是品质因数。

由式（1）、（2）、（3）可以看出介电常数 ξr越大，天线的尺寸越小；相反介电常数ξr越小，厚度h越大，天线的工作带宽BW则越大；因此得到理想尺寸和工作带宽天线的关键是合理选择介质板的介电常数和厚度。决定阵列天线特性的主要参数有4个，分别是：单元个数、单元位置、单元的激励振幅及其相位[4]。假设在一个天线阵列中，共有N个单元，第n个单元在阵中的波瓣为fn（θ，φ），它在阵中的位置为（xn，yn，zn），激励的振幅为 In，相位为 φn，则这个天线阵列的波瓣可以写为：

式中：k=2π/λ为波数，λ为工作波长。fn（θ，φ）为第n个单元在阵列环境中的波瓣，叫做单元阵波瓣。

2 毫米波汽车雷达微带天线

汽车防撞雷达系统必须准确地探测到前方扫描区域内的所有运动和静止的目标，并且计算出目标的距离和速度，同时进行预警。典型的车载防撞雷达系统的结构包括天线、信号收发前段、信号处理模块、报警模块以及汽车控制模块。车载毫米波雷达就是通过毫米波天线向外辐射毫米波信号，当该信号遇到目标后就发生反射，反射回来的回波信号再被雷达的接收天线所接收，经过相应的算法和信号处理就可以得到目标的距离和速度。

要求雷达天线增益要高，同时副瓣、后瓣电平要低。天线的发射角足够小，能够排除临近车道上车辆目标的干扰；整机体积足够小，重量最轻，方便与车辆进行整体配套。还要注意与车辆中的其他电子系统的电磁兼容。

根据应用场合的不同，对微带天线的馈电可以采用不同的形式，几种常用的馈电方式为[5]：

1）微带传输线馈电[5]；

2）同轴线探针馈电[5]；

3）电磁耦合型馈电[5]；

4）共面波导馈电[6]。

该天线工作于Ku波段，介质基板厚度为0.508 mm，介电常数为2.2罗杰斯5880高频介质板，天线采用非谐振式串馈形式，通过输入阻抗匹配以及阵列末端加载匹配负载的形式，实现天线的高工作带宽和波束偏角设计。图2所示为毫米波雷电微带天线示意图。

图2 毫米波汽车雷达微带天线示意图

首先是对天线辐射单元的设计，根据天线的中心工作频率确定天线的宽度W2和长度L2。

2.1 矩形微带天线单元宽度W的选取

对于谐振频率为fo，介质基片厚度为h，且要求矩形天线单元辐射效率较高的条件下，其实用宽度是：

2.2 矩形微带天线单元长度L的选取

对于工作于主模TM01模的矩形微带天线单元的长度L近似为λg/2，其中λg为介质波长，计算公式为：

式中：εe为介质基片的有效介电常数，由边缘效应确定，由施奈德得到的εe的经验公式为[6]：

在工程实际中，由于考虑到边缘场的影响，在确定L的尺寸时从λg/2中减去2ΔL。而由下式计算：

天线单元的长宽确定后，需要对馈电到天线辐射单元间的输入微带线的长度和宽度进行设计，以达到天线工作带宽的指标要求，其中W1为50Ω微带线的宽度，可以根据微带线公式求得，50Ω微带线的长度L1以及到天线辐射单元的过渡线的宽度和长度需要通过HFSS电磁仿真软件进行仿真优化设计。

本文设计的阵列天线需要与天线的法线方向偏角为30°，为达到此目的，采用非谐振式串馈的方式，把两个天线辐射单元之间的间距变为小于λo/2，并在天线末端接入负载电阻，负载电阻末端接地。

如公式（10）所示，θ为天线波束与法线夹角，β为两辐射单元间的相位差，通过调整L3的长度，达到天线波束指向要求。

3 实验验证与结果分析

根据微带天线理论，借助计算机仿真技术，设计了微带天线单元，给出了其最佳参数与辐射性能，并加工制作了毫米波汽车雷达微带天线样机，实物如图3所示。

图3 毫米波汽车雷达微带天线实物

最终确定的天线衬底长50mm，宽45mm，微带线宽度W1等于0.8mm，长度L1等于4.2mm，天线辐射单元宽度W2等于4.4mm，长度L2等于4mm，天线辐射单元的距离L3等于1.1mm。

图4所示为天线输入端口反射参数S11测试结果，从测试结果看出该天线在23.45~24.4GHz，950喇叭天线进行增益比对。图5给出了天线方向图测试结果，从图中可以看出该天线主波束与法线夹角为30°，最大增益为4.67 dB，副瓣电平小于-10 dB，半波束宽度为62°，表明所设计的天线阵列满足汽车雷达的对天线性能的指标要求。并且适用于印刷电路板技术进行批量生产，在很大程度上降低天线的成本，为低成本的毫米波防撞雷达系统的研制奠定基础。MHz带宽范围内反射参数S11小于-10 dB，中心频率23.85GHz时反射参数为-27.9 dB，符合工程实用要求。

图4 天线输入端口反射参数S11

在微波暗室对天线方向图进行测试，并同标准

图5 天线方向图

4 结论

本文在传统的微带阵列基础上，采用微带传输线的匹配设计，天线阵列单元幅度和相位的优化设计，以及加载匹配负载的方法，实现了天线的小型化、大工作带宽和主波束的偏角设计。试验表明天线尺寸为50mm×45mm，中心工作频率23.85GHz，工作带宽950MHz，主波束偏角 30°，半波束角度 62°，是一种较为理想的防撞雷达天线方式。