一种小型化毫米波收/发天线阵设计与仿真

冯丁舜

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州225101)

0 引 言

近年来，随着我国汽车制造行业的蓬勃发展和智能驾驶技术需求的提高，毫米波车载雷达技术成为人们研究的热点。天线作为汽车雷达通讯系统的重要组成部分，一直受到业界的广泛关注。24 GHz是车载雷达天线的主要工作频段，通常安装于车辆的后方，用于实现变道辅助(LCA)、倒车警告(RCTA)和车辆盲区检测(BSD)等功能。为了满足上述功能的需求，设计总体损耗小、易于加工、成本低、结构紧凑、收发隔离度低的毫米波车载天线阵成为当下研究的热点[1- 2]。

本文提出了一种应用于24 GHz车载毫米波雷达系统的收/发微带天线阵，采用串联馈电的形式有效减少了引入馈线产生的辐射损耗和散射损耗，将收/发天线阵印制于同一块基板中，结构紧凑，易于集成。仿真和实测结果表明该天线阵的工作频段为23.95～24.25 GHz。

1 天线设计

本天线选用矩形微带天线作为阵列单元，如图1所示，由传输线模型和空腔模型[3]可知：

图1 微带天线单元示意图

式中：l、W分别为微带天线的长、宽；εr、εe分别为介电常数和等效介电常数。

经过理论计算可以得到矩形贴片的初始尺寸，提高后续仿真优化工作的效率。

天线阵的结构如图2所示，阵列由接收子阵和发射子阵组成，子阵间隔为Ls以保证天线阵的收发隔离度，每个子阵各有6个微带天线单元。采用的介质基板是介电常数为2.2的Rogers5880，厚度为0.254 mm，介质板下方为金属地板。天线阵采用同轴线探针馈电，外圆柱为空气，降低了制造成本，同时避免了采用微带线端馈时天线阵列的不对称问题[4]。

图2 天线阵仿真模型

微带天线单元采用串联馈电，天线阵列的两端为开路，使得电场沿E 面呈驻波分布。各个阵元之间的距离保持大致相同，以保证等相位馈电，从而辐射出H面的宽波束。矩形微带天线阵元的宽度从中间向两边依次减小，通过调整阵元的阻抗特性以控制每个微带天线单元辐射能量的大小。

2 测试结果

天线的加工实物图如图3所示，长宽高尺寸为60 mm×8 mm×0.254 mm，较小的尺寸可以有效地集成于车体结构中。

图3 天线的加工实物图

由图4可以看出天线仿真和实测的回波损耗在23.95～24.25 GHz小于-10 dB，证明该馈电方式可实现良好的阻抗匹配性能。

图4 回波损耗曲线

如图5和图6所示，天线的带内增益可以达到14.7 dB，E面、H面半功率波束宽度分别为14.5°和80.4°，归一化第一旁瓣电平为-19.8 d B，在E 面具有优良的方向性，实测值与仿真值较为吻合，满足应用场景需求。

图5 天线阵H面仿真方向图

图6 天线阵E面仿真方向图

本天线阵的带内S12如图7所示，带内S12小于-52 dB，具有较好的收/发隔离度(如图8所示)，满足车载雷达系统的需求。

图7 天线阵实测方向图(24 GHz)

图8 天线阵的收/发隔离度

3 结束语

根据24 GHz车载雷达系统的需求，设计了一款小型化收/发天线阵列，通过同轴馈电和串联馈电的方式保证了天线的紧凑性、低成本和可靠性。仿真和实测结果表明该阵列天线阵工作于23.95～24.25 GHz，天线带内增益为14.7 d B，E面、H面的半功率波束宽度分别为14.5°和80.4°，收发天线阵间的隔离度大于52 d B。该微带收/发天线阵列具有较好的综合性能，在车载雷达系统中具有一定的应用价值。