一种提高车载毫米波雷达天线隔离度的方法

张杰

摘要：本文提出了一种用于连续波雷达中增加收发天线隔离度的方法。通过在收发天线间适当的位置增加一个虚元的方式，简单有效的提高了收发天线间同频的隔离度。该方法是基于天线电路模型中接收天线有效匹配时，不但接收空间电磁能量，并且同时在辐射电磁能量的特点，控制虚元二次辐射来自发射天线的电磁波到达接收天线的幅相，使之与由发射天线直接到达接收天线的同频电磁波达到幅度接近，相位相反从而相互抵消，提高了收发天线间的隔离度。此种方法在天线孔径尺寸有限的情况下具有明显的效果，在本文的案例中，收发天线隔离度相对于没有虚元的情况下提高了9dB。

Abstract： In this paper， a method for increasing the isolation of transceiver antenna in CW radar is presented. By adding a virtual element in the proper position between the transmitting and receiving antennas， the isolation of the same frequency between the transmitting and receiving antennas is improved simply and effectively. This method is based on the antenna circuit model when the receiving antenna matches effectively. It not only receives the space electromagnetic energy， but also radiates the electromagnetic energy. It controls the virtual element secondary radiation from the transmitting antenna to reach the receiving antenna's amplitude and phase， making it close to the same frequency electromagnetic wave from the transmitting antenna to the receiving antenna directly， and cancels each other out in phase. It improves the isolation between antennas. This method has obvious effect when the aperture of antenna is limited. In the case of this paper， the isolation of transmitting and receiving antennas is improved by 9dB compared with that without virtual elements.

关键词：连续波雷达天线;隔离度;虚元

Key words： CW radar antenna;isolation;dummy antenna

中图分类号：TN958                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）30-0246-03

0  引言

當前智能化是电子领域研究的热点，而在汽车领域的智能驾驶也越来越收到人们的关注。车载领域的各种终端中毫米波雷达以其优越的性能、较高的性价比等优势获得车厂广泛的青睐。车载毫米波雷达是一种短距离高精度雷达，通常采用连续波体制，即在雷达接收同时还在发射，同频发射电磁波无疑会进入接收通道，影响雷达对目标回波的处理，往往成为制约雷达探测能力的瓶颈。因为收发电磁信号是同频率，无法通过滤波的方式减缓这种干扰，那么只有在天线中最大程度的提高收发天线间隔离度来提高雷达性能。

车载毫米波雷达一般工作于24～24.25GHz（简称24G）以及76～81GHz（简称77G），并安装于车体的各个位置，以实现对于汽车不同区域内目标的感知。

在国际上已提出许多有效去耦和的方法，比如缺陷地结构[2]、耦合谐振网络[3]、电磁带隙结构[4]和金属超材料[5]等。但是如果这些方法应用于车载毫米波雷达天线设计中，会增大天线的尺寸，不满足雷达小型化的应用需求，并且会带来设计的复杂度。本文以24GHz车载雷达为应用背景，提出一种在收发天线间增加虚拟阵元的方法，通过虚元的二次辐射与发射天线的直达波反相抵消的方式，简单有效的提高了收发天线间的隔离度。这种方式相比于无虚元的情况隔离度提高了9dB。

1  天线结构的分析与设计

毫米波雷达天线阵的结构如图1所示。天线形式为微带贴片天线，此种形式的天线具有低成本、易加工、重量轻、批量一致性好、易于与射频芯片集成等等诸多优势。本文使用的天线在俯仰面采用中心馈电的六元中心馈电微带阵列，用两列做为发射，独立的两列做为接收，在接收和发射天线间加入一列与接收天线相同的单列做为虚拟阵元，优化其相对的位置，以获得收发天线间隔离度最优化。

整个阵面印制在厚度为0.254mm的Rogers4350B介质板上，介电常数为3.66，损耗角正切为0.004。天线介质板尺寸L×W（mm）=60×40，接收二天线Rx1和Rx2间距为半个波长，以实現天线前半空域[-90°，90°]无模糊测角。

接收天线二次辐射原理是：当接收天线的辐射电阻Rr与负载电阻RL匹配（RL=Rr）时（电路图见图2），与注入负载的功率相等的功率将被天线再辐射出去。这是最大功率转移的条件（假设天线无损耗）。除了再辐射功率之外，天线还散射尚未进入天线负载电路的功率[1]。

2  仿真结果与分析

本文采用商用仿真软件HFSS对天线进行仿真分析。图3至图7分别仿真了收发天线间无虚元，虚元距离接收天线2（图1中Rx2）分别是6mm、7mm、8mm和9mm时发射天线与两个接收天线间的隔离度，从仿真结果看，距离从6mm到9mm变化过程中，最小隔离度分别为43dB、45dB、35dB和42dB。可见相对于无虚元时的隔离度36dB都有了明显的改善。这种设计中虚元采用与接收天线一样的形式和尺寸，这样既与收发天线都工作在同一频段，能够很好的实现接收发射电磁波并做二次辐射，并且避免重新设计优化，降低了工作量。虚拟天线的馈电端口匹配状态，实际工作时用50欧姆电阻接地。

3  结论

本文提出了一种通过在接收发和发射天线之间的适当位置增加一个虚拟阵元的方式来提高收发天线之间的隔离度的方法。虚拟阵元通过接收来自发射天线来的电磁波并二次辐射出去，使得在接收天线处，来自发射天线的直达波和来自虚拟阵元二次辐射的电磁波反相叠加，相互抵消，从而实现提高收发天线之间隔离度的目的。通过仿真优化接收天线的位置，实现在24GHz雷达工作频带内（24～24.25GHz），收发天线隔离度较无虚拟天线时增加了9dB。

参考文献：

[1]John D.Kraus and Ronald J.Marhefka. Antenna：For All Applications，Third Edition.电子工业出版社，2017.

[2]C. Y. Chiu， C. H. Cheng， R. D. Murch， and C. R. Rowell. Reduction of mutual coupling between closely-packed antenna element[J]. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 55， no. 6， pp. 1732-1738， Jun. 2007.

[3]L. Zhao， L. K. Yeung， and K.-L. Wu. A coupled resonator decoupling network for two-element compact antenna arrays in mobile terminals[J]. IEEE Trans. Antennas Propag.， vol. 62， no. 5， pp. 2767-2776， May 2014.

[4]F. Yang and Y. R. Samii. Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap EBG structures： A low mutual coupling design for array applications[J]. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 51， no. 10， pp. 2936-2946， Oct. 2003.

[5]Vasanelli C ， Bogelsack F ， Waldschmidt C . Reducing the Radar Cross-Section of Microstrip Arrays Using AMC Structures for the Vehicle Integration of Automotive Radars[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2018， PP（99）：1-1.