用于车载测高雷达的阵列天线设计

2020-10-15李晓峰

火控雷达技术 2020年2期

吴斌姜兴廖欣李晓峰

(桂林电子科技大学广西桂林 541004)

0 引言

随着汽车工业的快速发展，道路上的限高杆、广告牌安装较为混乱，卡车、大巴车等大型车辆与限高杆、涵洞、广告牌等相撞造成的事故也频频发生。为了避免卡车、大巴车等大型车辆与限高杠、涵洞等障碍物的碰撞，车载雷达不仅需要探知前方目标的速度、距离等信息，还需要探测目标的高度信息，从而给驾驶员提供预警[1-2]。因此，急需研究能够实时监测道路交通情况，感知车辆周围目标速度、距离及高度等信息的车载测高防撞雷达。由于毫米波受恶劣环境因素影响小、分辨率高等优点，并且具有较强的抗雨雾干扰和抑制多径反射的能力，已成为车载雷达应用频段首选[3]。因微带天线便于与射频电路集成等特点，因而本文车载测高防撞雷达天线采用微带天线作为辐射元件。

1 双通道比相法测高原理

雷达测角的常用方法是比相位法，主要是通过提取接收不同回波信号中的相位信息，通过数据后处理得到待测目标高度信息，如果存在杂波等因素对回波信号干扰也不会影响对相位信息的提取。比相法利用不同接收天线获取的回波信号之间相位差进行测角。图1为比相法原理图。其中，θ为回波方向，d12为接收天线1、2之间的距离，φ12为两者的相位差[4]。

图1 比相法测角原理图

结合图1可知，

(1)

由式(1)可得来波方向

(2)

其中λ为雷达工作波长。由式(2)知，在d12为已知量时，通过相位计对接收天线1、2接收信号进行比较可得相位差信息，从而数据后处理得到目标高度信息[5]。

2 24 GHz串馈微带收发线阵设计

由于微带贴片天线易于与射频电路集成和加工工艺成熟等特性，线阵采用微带天线作为辐射单元。因测高要求及不出现无模糊问题，采用1×8单元作为发射线阵，接收线阵采用1×3单元。为了使天线获得较低的副瓣电平，线阵采用道尔夫-切比雪夫阵列综合法进行馈电。在副瓣电平为定值后通过对微带贴片阻抗的设计，从而获得各辐射贴片的功率。因线阵结构对称，故只需计算一半电流比即可[6]。在SLL=-25 dB时，发射线阵贴片从边缘到中心的电流幅值比为I1∶I2∶I3∶I4=0.38∶0.59∶0.84∶1，接收线阵贴片电流幅值比为：I1∶I2=0.56∶1，由I1∶I2∶…∶In-1∶In=Wp1∶Wp2∶…∶Wpn-1∶Wpn可知各贴片宽度[7]。

考虑到将发射天线和接收天线加工在同一块介质板上，采用Rogers公司Rogers 4350B介质板，其相对介电常数εr=3.66，介质板厚度h=0.254 mm。收发线阵结构如图2所示。

通过仿真软件CST2018对收发线阵仿真后，收发天线单元的S11仿真结果如图3(a)所示，在24～24.25 GHz频带，S11均小于-10 dB；图3(b)为收发天线的方向图，发射线阵俯仰面3 dB波束宽度为15.4°，接收线阵俯仰面3 dB波束宽度为38.5°。

图2 收发线阵结构

表1 收发线阵结构尺寸(单位：mm)

图3 收发线阵仿真结果

3 12元馈电网络设计

为了天线水平面获得较低的副瓣以避免杂波、噪声等因素的影响及天线的窄主瓣、高增益特性，本文采用切比雪夫天线综合法对12元馈电网络进行设计。因12单元馈电网络是结构对称的，只需计算一半电流幅值比。在SLL=-25 dB时，从馈电网络中心到边缘的电流幅值比：I1∶I2∶I3∶I4∶I5∶I6=1∶0.93∶0.80∶0.64∶0.46∶0.42。对12元馈电网络仿真模型设置电流监测器，来观测是否满足设计值以便后续的优化[8]。12元馈电网络仿真模型如图4所示。

图5(a)为各端口电流幅值仿真结果。从图5(a)可看出，在中心频点处，各端口电流幅值比为I1∶I2∶I3∶I4∶I5∶I6=1∶0.921∶0.756∶0.56∶0.38∶0.26，这与设计值略有点偏差，但通过与线阵组阵后，阵列天线的副瓣满足低副瓣要求，表明该馈电网络是满足设计要求的。图5(b)为各端口电流相频特性仿真结果。从图5(b)可看出，各端口电流基本相位一致。

图4 12单元馈电网络电流监测仿真模型

图5 12单元端口电流幅频、相频仿真结果

4 24 GHz一发两收阵列天线设计

通过对收发天线之间距离合理设计，满足天线小型化需求同时避免了天线之间的耦合影响，一发两收阵列天线尺寸为113mm×160 mm，如图6所示。发射天线与接收天线1和两接收天线之间的距离分别为y1、d12(y1=d12=2.58λ，λ为中心频率工作波长)。

图6 收发天线的布局

5 24 GHz一发两收阵列天线仿真与实测

通过对一发两收阵列天线的优化仿真，最终定版并进行了加工，天线实物如图7(a)所示。利用矢量网络分析仪对收发天线的S参数进行了测试，通过微波暗室测试了天线的方向图，如图7(b)所示。

图7 收发天线实物及测试

图8为收发天线S参数实测与仿真结果对比，在工作频段内，收发天线的反射系数S11、S22、S33均<-10 dB，满足设计要求。

图9为一发两收天线在中心频点方向图仿真与实测结果。从图9中可知，发射天线方向图实测与仿真结果基本一致，发射天线方位面与俯仰面3 dB波束宽度分别为9.7°和13.6°，其旁瓣电平<-15 dB。由图10(a)、图10(b)可看出，接收天线1、2方位面与俯仰面方向图实测与仿真结果基本吻合，两接收天线俯仰面3 dB波束宽度为33°，旁瓣电平<-20 dB，方位面3 dB波束宽度均在10.4°左右，满足24GHz测高雷达设计需求。

6 结束语

通过对线阵采用串馈的方式，同时馈电网络利用切比雪夫天线综合法设计以及收发天线间距合理设计，满足天线性能的同时也避免天线之间的耦合影响，设计了一发两收微带阵列天线。对阵列天线进行了加工和实测，实测收发阵列天线在工作频段内反射系数均<-10 dB，收发天线方位面3 dB波束宽度实测结果均在10°左右，副瓣电平<-20 dB，符合设计要求。因此，该一发两收微带阵列天线的性能满足了设计需求，适合用于车载测高防撞雷达系统。