用于调频连续波雷达系统的宽带高增益天线阵设计

傅世强, 张佳琦, 李 超, 陈韦宁, 房少军

(大连海事大学信息科学技术学院, 辽宁 大连 116026)

0 引 言

随着科技的迅猛发展,雷达系统在民用领域的应用日益广泛。在各种雷达系统中,调频连续波(frequency modulation continuous wave, FMCW)雷达由于其对发射功率峰值要求较低,结构简单而被大量应用在测距测速、无人机导航、盲点监测等领域[1]。而在FMCW雷达的实际应用中,为使检测目标物体时测距精度更高,同时减小收发互耦影响以增大隔离,对射频前端系统中的天线有更高性能的要求,例如频带宽、波束窄和增益高[2]。

在各种类型天线中,对数周期天线频带较宽但是增益中等,而八木天线单元数越多增益越高,但结构复杂,频带较窄[3]。采用单元组阵的方式来提高天线增益是常见的方法,但单元天线的带宽往往限制了天线阵的整体带宽[4]。文献[5]设计了一种超宽带单极子天线,但结构不易于组阵,限制了其作为阵元的选择;而印刷偶极子天线及其变形结构具有频带宽、增益高,易于组阵的特点,得到了广泛的研究[6-8]。在印刷偶极子天线结构基础上,文献[9]通过引入背腔和文献[10]通过引入寄生引向贴片,进一步提高了单元天线的增益。文献[11]给出了一种近似椭圆结构的超宽带偶极子天线,在很宽的工作频带内具有良好的阻抗特性和辐射特性。文献[12]则基于椭圆形印刷偶极子为单元组成阵列天线,设计了32元天线阵,但由于采用等功分馈电网络,副瓣电平较高,并且在频率较高处方向性畸变严重。

本文设计了一种蝶形印刷偶极子天线单元,采用宽偶极子渐变结构能够有效地展宽工作带宽,并且利用16个单元天线组成阵列,提高增益;通过不等功分和宽带多节匹配平行带线馈电网络在阵元间进行连接,降低副瓣电平,提高天线阵主瓣性能并展宽天线工作带宽;通过在天线下方放置一块金属反射板实现天线的定向辐射,可以增大前后比;经宽带匹配微带渐近巴伦结构变换到50Ω同轴端口,改善不平衡馈电的问题。

1 天线结构设计

1.1 单元天线设计

为节省成本,设计的蝶形印刷偶极子单元天线蚀刻在相对介电常数4.4,厚度0.8 mm的FR4介质基板上,如图1所示。图中黑色区域为介质基板正面贴片,白色区域为介质基板背面贴片。W1与W2为贴片宽度,其尺寸大小影响天线的输入阻抗特性,在一定范围内,越宽其输入阻抗的实部和虚部曲线波动越小,合适的宽度可有效展宽天线的带宽。L为贴片的横向臂长,它的长度主要影响偶极子中心频率和方向性。s为两贴片之间的距离,w是平行带线馈线宽度,l则为馈线长度。为实现天线的定向辐射,在距离介质基板底部H处放置一块金属反射板,理论上H为中心频率的四分之一波长,并根据实际仿真优化做出调整。

图1 单元天线结构示意图Fig.1 Structure of the antenna element

根据理论计算出单元天线尺寸初值,利用电磁仿真软件HFSS进行优化。优化过程中首先调整横向臂长L,观察输入阻抗曲线得到天线大致的工作频率范围;然后改变W1和W2,使天线的阻抗曲线虚实部变得更平坦,以增加工作带宽;最后观察偶极子天线表面电流,微调s以便得到较宽频率范围内较好的辐射方向性图。

图2 单元天线输入阻抗随频率变化曲线Fig.2 Antenna element input-impedance curve versus frequency

图3 单元天线辐射方向性图仿真结果Fig.3 Simulated result of the antenna element radiation pattern

最终得到尺寸参数为W1=16 mm,W2=23 mm,L=10 mm,s=2.3 mm,w=1 mm,l=4 mm,H=15 mm。优化后该单元天线的输入阻抗曲线仿真结果如图2所示。由图可知,在4～7 GHz频率范围内天线输入阻抗实部在100 Ω上下浮动,而虚部则在0 Ω附近波动,天线可与100 Ω馈电端口达到较好的匹配。图3为单元天线分别在4 GHz、5.5 GHz、7 GHz处,E面和H面辐射方向性图。由图可知,单元天线的最大辐射方向与天线所在平面垂直,增益最大值达8.9 dB,最小值为7.9 dB。同时可看出,当天线工作在7 GHz时,最大辐射方向逐渐由0°向两侧偏移,方向性图开始发生畸变。

1.2 天线阵设计

将上述单元天线作为阵元,组成16元印刷偶极子天线阵,阵元间通过T型平行带线功分网络进行连接。为使天线阵依然保持单元天线宽频带的特性并提高天线阵的整体性能,功分网络采用多节阻抗匹配和不等功分设计。通过微带渐近巴伦结构连接到50 Ω同轴馈电端口,最后由固定圆柱螺丝连接介质板和金属反射板,组成天线阵的整体结构,如图4所示。x和y为阵元分别与两个垂直方向上相邻阵元的阵间距。阵间距的大小主要影响天线阵的方向性和增益,阵元间距过小,阵元之间会产生强烈的互耦效应,对阻抗特性影响较大,而间距过大,又会有栅瓣产生,减小增益带宽,在综合考虑阻抗特性,方向性和增益带宽的情况下,优化得到阵元间距x=y=39 mm。

图4 天线阵结构示意图Fig.4 Structure of the antenna array

根据单元天线的阻抗特性设计T型平行带线形式的功分网络,使各阵元在4～7 GHz内实现功率分配。相对于等功分馈电而言,不等功分馈电可以抑制副瓣[13]。而二项式分布馈电功率分配比1∶3∶3∶1对抑制副瓣可达到最好的效果,但由于阻抗比过大,线宽过细,不易实现。为使该4×4天线阵列获得更好的方向性并考虑到工程易于实现,对其采用功率分配比为1∶2∶2∶1进行馈电。由于天线阵中心能量较强,中心的单元天线间互耦影响较为严重。为此在功分网络最后一节阻抗匹配采用三节切比雪夫阻抗变换器来实现,可以在较宽的频带上获得理想的阻抗匹配特性[14]。由于所设计的馈线是平衡结构,直接用同轴馈电连接,其性能会受到非平衡馈线的影响。因此使用宽带微带渐变巴伦结构实现不平衡信号到平衡信号的转换。与采用同轴接头侧馈巴伦转换方式[12]相比,本文采用同轴底馈巴伦转换结构,更加紧凑。通过调节渐变微带的长度和宽度,可在很宽频率范围内实现很好的阻抗匹配。

2 天线仿真与实测

利用电磁仿真软件HFSS对天线阵进行了大量的仿真分析,由于天线阵阵元互耦的影响,改变了功分网络终端的阻抗,为此对馈电网络中三节切比雪夫阻抗变换器尺寸进行了优化微调,使天线阵与功分网络实现匹配对接。根据最终优化结果加工了天线实物,如图5所示。

图5 天线阵实物Fig.5 Fabricated antenna array

使用Agilent N5230A 矢量网络分析仪测试了天线的S参数。图6给出了天线阵仿真和实测S参数对比曲线,从图中可看出在3.8～6.6 GHz频段内,其实测回波损耗大于10 dB,相对带宽达到54%。仿真结果与实测结果具有较好的一致性。

伊利诺伊州芝加哥大学的神经生物学家魏巍正使用GEVIs研究不同的电输入信号是如何在小鼠视网膜神经元内被整合的。魏巍的研究兴趣涉及一类能够对一定方向运动的视觉刺激产生强烈反应的神经元。通过观测这些神经元不同部位膜电位的变化，她希望可以理解细胞如何处理输入信号，以探测刺激的运动方向。

图6 天线阵仿真与测试回波损耗结果对比Fig.6 Comparison of the simulated and measured return loss of the antenna array

在微波暗室中测试该天线阵的方向性和增益。其中,4.5 GHz、5.5 GHz、6.5 GHz 3个频点的方向性参数实测结果如表1所示。图7为天线在频率5.5 GHz处E面和H面的辐射方向性图,可以看出方向性图的实测结果和仿真结果基本吻合。实测的天线阵增益随频率变化曲线如图8所示,在4～7 GHz内天线阵的增益在15 dB以上,最高增益达17 dB。

表1 天线在不同频点处的方向性参数

图7 5.5 GHz辐射方向性图Fig.7 5.5 GHz radiation pattern

图8 天线阵实测增益曲线Fig.8 Measured gain of the antenna array

3 结 论

本文提出了一种不等功分馈电的16单元蝶形印刷偶极子天线阵,该天线阵具有频带宽增益高的特性。使用电磁仿真软件HFSS进行仿真优化,根据优化出的结果尺寸制作实物并进行测试。测试结果表明,该天线在3.8～6.6 GHz内回波损耗大于10 dB,相对带宽为54%。在该频率范围内,天线具有良好的方向性,天线的增益在15 dB以上,最高增益达17 dB。仿真和实测结果有着良好的一致性。该天线成本低、易于加工和批量生产,目前已成功应用于FMCW雷达系统工程中。