一种用于车载雷达双波束天线

张杰

【摘  要】论文针对车载微波雷達天线对车体正后和侧后方同时高增益的探测需求，设计了一种波束开裂的双波束天线，具有针对两个目标区域高增益探测的能力。相对于传统单波束天线，双波束天线在两个目标区域的增益均提高约6dB，使得雷达的理论探测距离提高50%。

【Abstract】Aiming at the detection requirement of the antenna of vehicle mounted microwave radar for high gain at the right rear and side rear the vehicle's body at the same time， the paper designs a dual beam antenna with split beams， which has the ability to detect two target areas with high gain. Compared with the traditional single beam antenna， the gain of the dual beam antenna in the two target areas is increased by about 6dB， which increases the theoretical detection range of the radar by 50%.

【关键词】车载微波雷达;双波束;高增益

【Keywords】vehicle mounted microwave radar; dual beam; high gain

【中图分类号】TN959                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）09-0159-03

1 引言

智能安全驾驶离不开微波雷达传感器，这些传感器雷达一般工作频段为24～24.25GHz（简称24G）以及76～81GHz（简称77G），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。

在汽车的前向常用距离更远、分辨率更高的77G雷达，用于自适应巡航（ACC）和紧急制动（AEB）。

在汽车的后向可采用成本相对更低的24G雷达来实现盲点监测（BSD）、变道辅助（LCA）、倒车侧向告警（RCTA）以及开门预警（DOW）等功能。后向的功能常被要求在一部雷达中实现，即在汽车的左后角和右后角各装一部雷达，两部雷达分别覆盖汽车左右两边。由于这四种功能需要覆盖的区域大，且并非连续区域，故可以对雷达天线波束采用特殊设计手段以提高雷达能力。

下文就四种功能对于汽车来说相对的位置说明如下：

BSD功能要求雷达可判别汽车后方0～7m的正后方车道和临车道内威胁目标;

LCA功能要求雷达可判别汽车后方0～70m的正后方车道和临车道内威胁目标;

DOW功能要求雷达可判别汽车后方0～30m的正后方车道和临车道内威胁目标;

RCTA功能要求雷达可判别汽车后方垂直于车体方向车道上0～30m的威胁目标。

可见，前三种功能要求雷达的探测区域与第四种功能要求的探测区域不同，且不连续。

对于雷达安装来说，为了满足天线波束对于实现四种功能所涉及的两部分区域有效覆盖，一般采用的安装的夹角与汽车尾部呈30°～35°。对于接收天线，雷达常采用宽波束设计，以覆盖全部区域。对于发射天线而言，若仍然采用与接收天线相同的宽波束设计，则会使雷达辐射能量大部分集中到汽车的侧后方，这也是两个需要覆盖区域之间的位置，辐射能量未能得到更加有效的利用。故需要对雷达的发射天线波束进行针对性的赋形设计，以保证发射天线在两个需要的覆盖区域实现增益最大化。

针对此问题，张宁、赵宇楠等人曾在“射频百花潭”发表文献[1]，采用粒子群算法（POS）对六列微带天线的激励幅度和相位进行了优化，改善了雷达天线照射到实现四种功能所需的两个覆盖区域，但存在以下两点缺陷：

第一，粒子群算法（POS）是一种优化算法，是一种随机搜索算法，需要复杂的编程、合理的初始值设置以及合理的适应度建立，才可能获得优化目标的实现，难度较大，研制周期长。

第二，文中优化的赋形方向图结果在两个覆盖区域之间的位置未能形成较高的抑制，增益仍很高，天线辐射能量未能得到有效的利用。

另外，形成双（多）波束的方式是矩阵馈电，如谭茜等人所述[2]，采用矩阵馈电方式可以同时实现多个波束，但同时需要多个馈电通道，如两个波束则这两个波束的射频通道是独立的。

本文提出了一种简单实用的设计方法，用以得到汽车后向雷达四种功能覆盖的优化波形，具备设计周期短、辐射效率高等特点。

2 双波束天线设计方法

本文针对现有赋形算法复杂的缺陷，提出一种简单明了的车载雷达天线波束赋形方法。本文采取的技术方案是在形成多波束维度天线组阵，确定欲形成的两个波束指向角θ1和θ2。

3 设计实例

本文根据此方法设计了一款微带形式的车载雷达天线。

第一，根据雷达天线具体要求确定天线所用介质型号和叠层，示意图见图1。

金属层包括：天线层（Top）、金属地板层（GND）、射频馈电层（Bottom）;介质层包括：0.254mm厚的Rogers4350B、0.485mm厚的FR4、0.1mm厚的Rogers4350。

图1  天线介质叠层

第二，设计组阵用单列微带天线，单列天线采用中心馈电的串联10个单元，单元馈电按照副瓣25dB的Taylor加权方式，从中心到边缘依次降低。

第三，根据雷达功能需求，以及雷达装车夹角確定天线波束指向，见图2。本文中，雷达法向与车体后边沿夹角35°（12），根据雷达功能覆盖区域RCTA和BSD/LCA/DOW覆盖，估算雷达天线波束A需偏离雷达法向32°（BSD等区域），天线波束B需偏离雷达法向-38°（RCTA区域）。

此处控制A波束和B波束的幅度比例，选择μ=0.75。

第五，设计馈电功分器。根据上一步骤中计算得到的波束A+B的幅度相位，设计天线阵馈电功分器，见图3。通过控制微带线宽调节馈电幅度，通过调整合路馈电点到各个支路之间的路径长短控制馈电相位。同时，为减少相位误差影响，将天线阵分为两两一组。其中，第一组和第三组内两天线镜像对称，馈电点相位相差180°。

第六，通过仿真软件仿真获得六元天线阵形成的双波束方向图，见图4。其中，一条曲线是单列天线方向图，另一条曲线是根据计算幅度和相位获得的双波束方向图。由双波束天线方向图曲线可见，A波束指向+32°附近，B波束指向-38°附近，方向图最大值指向偏差是由于组阵维单元较少的缘故。波束A、B对于BSD/LCA/DOW、RCTA覆盖区域的覆盖图见图5，相对于单元天线波束的宽波束覆盖（图5中实线方向图），双波束方向图（图4带三角形实线方向图）在关注区域具有更高的增益覆盖。

第七，将天线增益转换到雷达探测距离，双波束天线相对于单波束天线在探测距离方面有明显的提高。在保证RCTA探测区域满足30m距离的基础上，将LCA的探测距离由原来的45m提高到75m。

4 结论

本文提出了一种双波束阵列天线的设计方法。该方法相对于传统的通过优化算法方式线波束赋形的方式，具有方便简单的特点。实例通过该方法实现了一款用于车载雷达后向用途的角雷达天线阵设计，通过公式计算方便地获得了用于控制六元阵列的馈电幅度相位，通过仿真验证，天线方向图形成了预期的两个不同指向波束，一个波束指向32°，另一个波束指向-38°。双波束天线相对于单天线的宽波束覆盖，在需要覆盖的区域具有更高的增益，使得雷达有效探测距离明显提高。

【参考文献】

【1】张宁，赵宇楠，张枝高，等.一种用于汽车防撞雷达的波束赋形阵列天线[C]//中国电子学会天线分会.2017年全国天线年会论文集（上册）.西安：西安电子科技大学出版社，2017：288-291.

【2】谭茜，陈付昌，陈继鹏.基于改进的Butler矩阵馈电的宽带双波束天线阵[C]//中国电子学会天线分会.2019年全国天线年会论文集.西安：西安电子科技大学出版社，2019：1111-1113.