77GHz汽车角雷达宽波束平坦增益阵列天线设计

姜兴 祝雪龙 廖欣 孙靖虎 杨明 吴斌

（1. 桂林电子科技大学信息与通信学院，桂林 541004；2. 德赛西威智能交通技术研究院有限公司先期研发部，惠州 516000）

引言

辅助驾驶、自动驾驶等智能化需求的涌现，使毫米波汽车雷达迎来了蓬勃发展的机遇. 其目标是将驾驶员从单调的任务和复杂交通场景中解脱出来，以提高驾驶安全性和舒适性. 77 GHz毫米波(mmW)汽车雷达系统与传统的图像传感器、超声波雷达和红外传感器相比具有在夜间、暴雨、浓雾等全天候条件下良好的性能[1]，与24 GHz雷达相比还具有分辨率高、测量精度高、体积小的优势.

不同作用距离的雷达对天线增益及波束宽度的要求不尽相同[2-4]，其中汽车角雷达作为盲区监测（blind spot detection，BSD）、侧向车道碰撞预警、变道辅助（lane change assistance, LCA）等应用场景下的中短距雷达需要天线具备足够的宽视场角（field of view，FOV）来检测较大范围内的目标，其波束覆盖范围如图1所示. 针对车载雷达天线的宽波束性能研究的相关文献较少，特别是77 GHz频段. 文献[5]提出了工作在34～39 GHz的自混合天线阵的概念，在增益满足要求的情况下可获得大角度波束覆盖范围. 但高增益是通过增大单元间距并使用放大器等有源器件获得的，天线系统比较复杂，不适用于车载角雷达宽波束天线. 文献[6]中设计一种用于24 GHz的车载雷达宽波束天线，通过添加寄生贴片和开槽技术，实现了E面49°、H面81°的半功率波束宽度. 但寄生贴片添加在天线所在平面的上方形成的双层结构增加了天线的剖面，不利于天线与电路的集成. 文献[7]提出了用于24 GHz车载雷达的阵列天线，文中在微带贴片所在的平面添加寄生贴片，解决了剖面高的问题. 但对于77 GHz频段，单元间距的缩小及单元耦合效应的增强，相邻贴片间添加寄生贴片将会是一个技术难题. 文献[8-10]只对单元天线增大波束宽度的方法进行了分析.

图1 角雷达波束示意图Fig. 1 Beam schematic diagram of angular radar

本文针对77 GHz汽车角雷达设计了3×10单元的宽波束平坦增益微带阵列天线，并对所设计的线、阵和面阵天线分别进行了加工实测，实测结果和仿真结果吻合较好，满足系统设计要求.

1 低副瓣微带线阵设计

微带天线结构简单、重量轻、易于集成、适合批量生产等优点广受车载雷达厂商青睐. 本文采用10单元微带串馈阵列天线结构，如图2所示，介质材料为Rogers3003、εr=3.0、tanδ=0.001、厚度为0.127 mm. 10个单元可以在满足俯仰面波束宽度的同时，确保角雷达水平面方向图为较宽的扇形波束时具有较好的增益. 相比于并联馈电，串联阵列馈线总长度比较短，可以有效减小引入馈线导致的辐射和杂散损耗，提高天线效率. 但是串联馈电的相位容易产生偏差，并在各个阵元间逐渐累积，最终累积出较大的偏差[11]. 由于微带边界缩短效应和偏移积累导致相位偏移，采用不等间距线阵单元分布来确保每个单元同相分布.

图2 线阵结构图Fig. 2 Structure diagram of line array

为了获得较低的E面副瓣电平，采用Dolph-Chebyshev阵列综合方法[12]确定每个贴片的激励幅度系数. 在确定副瓣电平（sidelobe level, SLL）后通过微带贴片阻抗设计获得每个辐射贴片的功率比. 由于10单元线阵结构满足对称分布，只需要给出左侧5个单元的的电流幅度比即可. 文中SLL指标要求大于−18 dB，考虑一定的容余量后将SLL设定为−25 dB，并求得从中心单元到左侧边缘的电流比为I1∶I2∶I3∶I4∶I5=1∶0.92∶0.78∶0.59∶0.64. 线阵加工实物图及仿真结果如图3所示.

由图3（b）可知，−10 dB带宽仿真结果为1.1 GHz(76.4～77.5 GHz). 实测结果显示天线中心频率为75.9 GHz，−10 dB带宽为2.5 GHz（75.5～78 GHz）.图3(c)、(d)为等间距与不等间距分布的E面和H面辐射方向图，可以看出，不等间距分布的线阵俯仰面副瓣电平较低. 77 GHz时天线最大增益仿真结果为15.7 dBi，方位面3 dB波束宽度为78.5°，俯仰面3 dB波束宽度为10.9°，副瓣电平仿真结果为−24.5 dB满足指标要求；实测结果显示天线最大增益为14.8 dBi，方位面与俯仰面3 dB波束宽度分别 为75°和10.6°，副 瓣 电 平−19.7 dB. 实 测 结 果 表明，副瓣、增益及带宽都可以满足设计要求（SLL大于−18 dB，增益12 dB，带宽76.5～77.5 GHz. 考虑中心频率偏移主要是介电常数的变化、加工误差、测试误差引起的）.

图3 线阵加工实物与仿真测试结果图Fig. 3 Structure and simulation test results diagram of line array

2 波导转接结构及馈电网络设计

普通的SMA转接头焊接的形式对于77 GHz频段很难满足损耗及精度要求. 本文设计了WR-12矩形波导到微带转接的结构，转接结构及仿真结果如图4所示.

图4 转接结构与反射系数图Fig. 4 Diagram of transfer structure and reflection coefficient

仿真的-10 dB带宽为73.2～78.7 GHz，插入损耗在76～78 GHz为1 dB左右，表明转换结构仿真结果满足设计要求.

在设计不等幅不同相的功分器之前，需要根据天线的波束需求计算出各个端口的相位和幅值.本文设计的赋形宽波束天线采用三条10单元线阵天线. 根据天线的波束宽度、增益、线阵之间的间距和增益平坦度，使用粒子群算法在Matlab中计算出三条线阵天线馈电的幅值与相位，如表1所示.

表1 各端口的相位与幅值Tab. 1 Phase and amplitude of each port

根据计算得到的幅相结果，在电磁仿真软件中建模仿真验证，仿真模型和仿真结果如图5所示. 从图5(b)可以看出，赋形阵列天线在76.5～77.5 GHz频段内端口隔离度全部小于−26 dB；从图5(c)可以看出，三个子阵列的3 dB方向图和6 dB方向图吻合较好. 图5(d)为阵列赋形仿真结果，其H面波束增益平坦度较好，辐射增益为13.2 dBi；3 dB波束宽度为118.3°，E面的波束宽度为10.2°. 验证结果表明使用波束赋形拓宽H面波束宽度，提高平坦增益范围的方法是可行的.

图5 赋形阵列天线仿真模型和仿真结果Fig. 5 Simulation model and results of the beam forming antenna

针对波束赋形技术得到的子阵列单元幅相值设计了一分三不等幅不同相功分器，仿真模型及仿真结果如图6所示. 调节图6(a)中较细的微带线宽度和矩形贴片宽度可以实现阻抗变换并得到相应的功分比，通过改变传输线的长度控制输出端口相位. 观察图6(b)中的电流分布得知，电流在矩形贴片处不等分成三路，圆弧形微带弯折线的使用可以有效减小因导行结构突变引起的损耗. 由图6(c)知阻抗带宽满足设计要求，76.5 GHz时端口2、端口3、端口4三个输出端口的归一化幅度之比为0.259∶1∶0.259. 图6(d)为三个输出端口的相位仿真结果，可知在中心频率处，端口2、端口3、端口4的相位为：−30.21°、66.9°、−30.21°，端口2、端口4与端口1的相位差为97°. 三个端口的仿真幅相分布与计算结果吻合较好，满足设计要求.

图6 功分器仿真模型与仿真结果Fig. 6 Simulation model and simulation results of the power divider

3 宽波束阵列天线设计

波束赋形使得天线方向图在所需要的方向上相干叠加，在不需要的地方相互抵消. 基于上一节波束赋形技术得到的阵列天线参数及功分器进行了宽波束阵列天线设计，3×10阵列天线的仿真模型及加工实物如图7所示.

图7 阵列天线仿真模型与加工实物Fig. 7 Simulation model and prototype of line array

图8为波束赋形天线仿真与测试结果，结果表明，中心频率仿真结果为76.2 GHz，阻抗带宽1.9 GHz.通过波束赋形技术实现的宽波束阵列天线方位面和俯仰面3 dB波束宽度分别达到111.8°和10.6°，且水平面增益曲线平坦度可达−45°～45°，中心频率处最大增益为13 dBi. 实测结果方位面和俯仰面3 dB波束宽度分别为106.4°和10.9°，中心频率下最大增益为11.3 dBi. 在方位面波束宽度上，仿真与实测的波束宽度比较吻合. 增益上的差别是由于测试转接头的损耗以及一分三不等幅不同相功分器的损耗及测试误差引起的. 从图3(c)、(d)和图8(b)、(c)仿真和测试结果看出，3×10阵列的测试增益下降值大于1×10线阵测试增益的下降值，其主要原因为测试时只校准到功分器的输入端口，并未把功分器的实际损耗校准进去. 而在 77 GHz频率下微带传输线的实测损耗值要比仿真值大得多. 由图7标记处可知阵列天线的转接结构和功分器上的电流分布，此电流分布引起的杂散辐射是造成俯仰面副瓣电平较高的主要原因. 后续工作可以采用接地共面波导（grounded coplanar waveguide,GCPW）结构或基片集成波导（substrate integrated waveguide, SIW）结构进行功分器设计，有利于减小微带功分器和微带传输线造成的杂散辐射对阵列天线副瓣电平的影响.

图8 波束赋形天线仿真与测试结果图Fig. 8 Beam forming antenna simulation and test results

4 结 论

本文针对77 GHz车载角雷达在盲区探测、防撞预警等应用场景下宽FOV的需求，设计了基于波束赋形技术的3×10宽波束平坦增益平面微带阵列天线. 面阵天线方位面波束宽度可以达到106.4°，增益在−45°～45°平坦度较好，最大为11.3 dBi. 实测结果和仿真结果吻合较好，满足系统设计要求，对推动77 GHz汽车角雷达的应用、提高角雷达FOV具有一定的意义.