77GHz宽带低副瓣毫米波微带天线设计

范文颖，侯庆文，陈先中

(1.北京科技大学 自动化学院，北京 100083；2.北京科技大学 工业过程知识自动化教育部重点实验室，北京 100083；3.北京科技大学 顺德研究生院，广东 528300)

随着数字化、信息化、智能化技术以及先进装备制造业的发展，我国的煤炭工业已转向智能化方向发展。使用矿山机器人是智能化煤炭探测的一种重要手段。然而要实现矿山机器人在巷道中正常运行，需要机器人具备良好的环境感知能力。目前，地下煤矿中常用的感知方式有激光[1]、机器视觉[2]和惯性导航系统[3]等。激光雷达精度较高，但矿井中粉尘较多，这会对其探测精度提出不小的挑战。虽然基于视觉的探测方式是一个值得关注的领域，但针对于井下环境结构少、照度低的场景，其鲁棒性和准确性仍需进一步提高。惯性导航系统虽然精度较高，但价格十分昂贵。相比于上述探测方式，可轻易穿透雪、烟、尘等物质且具备在极端环境下全天候工作能力[4]的毫米波雷达，更适合于矿井环境的应用场景。近些年来，77 GHz毫米波雷达因其具有更高的分辨率和更远的探测距离而得到了制造商的青睐[5]。而天线作为毫米波雷达的关键部件，其性能的优劣至关重要，故而针对毫米波天线尤其是77 GHz毫米波天线，研究者们进行了广泛研究[6-11]。

东南大学的研究人员[6]针对77 GHz汽车雷达远程发射机，提出一种基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)馈电网络的平面串馈贴片天线。该天线的工作频率为75.0～78.5 GHz，最大增益达到20.33 dBi，可作为长距离雷达(Long Range Radar，LRR)的候选天线。JIAN等[7]设计了一款用于77 GHz汽车雷达的串馈低副瓣微带贴片线阵，阵列利用切比雪夫阵列综合旁瓣电平。仿真结果表明，天线的工作频率为75.8～77.3 GHz，最大副瓣电平为-22 dB。YU和XU分别提出具有平肩型方向图的77 GHz毫米波雷达天线，可同时实现中距离和远距离的场景信息检测。YU等[8]提出的基片集成波导缝隙阵列天线，采用非线性拟合和渐进空间映射混合优化方法实现平肩型方向图，峰值增益达到21.7 dBi。XU等[9]提出的切比雪夫阵列天线，采用阵列综合方法实现平肩型方向图。该类型天线在检测中距离和远距离的场景信息时，避免了两组天线的切换，降低了系统的复杂度，减小了系统体积。

上述文献中所提出的77 GHz毫米波天线虽然性能优良，但都存在带宽不足的问题，无法匹配76～81 GHz毫米波雷达芯片，因此无法达到较高的分辨率，这也源于微带天线窄带宽的这一缺点。相比于其他类型天线，微带天线具有体积小、低剖面、便于单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)集成等优点，这也使得微带天线成为毫米波雷达系统的首要选择。然而，高品质因数的谐振特性决定了传统单层微带天线的带宽只有1%～2%[4]，这一缺点限制了它的发展。

常见的展宽带宽的方式为在贴片或接地板开槽或采取堆叠结构等。在微带贴片的不同位置开不同形状的槽，即相当于引入阻抗匹配元件，在接地板的适当位置开槽，则能够提高微带天线的阻抗特性及辐射条件。CHEN等[12]提出一种新型宽带微带天线，通过采用两个对称的垂直矩形槽和设置短路壁激励靠近基模的四分之一谐振模，将-10 dB阻抗带宽提高到26.5%。刘凡等[13]提出一种紧凑的微带线馈电环形缝隙天线，通过在馈电点下方刻蚀圆形凹槽以及在接地平面中心加载L形槽口展宽天线带宽。测试结果表明，天线的阻抗带宽达到59%。SUN等[14]提出一种带混合槽结构的低剖面微带天线。该天线由4个狭缝分隔成的条带组成。通过控制条带和槽的尺寸激发双模，以增加工作带宽。实验结果表明，-10 dB阻抗带宽达到41%。CAI等[15]提出一种新型宽带圆极化天线。它由一个三角形单极子和一个刻蚀在地板上的槽组成。采用分支馈电线并联激励单极子和缝隙，实现了天线的宽带圆极化性能，-10 dB阻抗带宽可达73.0%。根据电路理论可知，当采取参差调谐的紧耦合回路时，频带将会得到展宽。根据该原理研究人员提出了具有多层结构的微带天线。文献[16-19]提出的微带天线，通过引入寄生贴片和空气层分别将-10 dB阻抗带宽提高约29.6%、21.8%、20.2%和48.8%。

针对77 GHz毫米波天线存在带宽不足的问题，笔者研究采取多层结构的方法予以改善，提出一种新型的宽带低副瓣毫米波微带天线。笔者设计的天线采取双层介质结构，放置于第1层介质基板上的主馈电单元采取切比雪夫阵列综合方法，可实现低副瓣特性；位于第2层介质板上的寄生单元则可实现整体天线带宽的扩展。

1 应用于煤矿环境的微带天线的性能特点

与地面环境不同，地下煤矿环境极其复杂。地下巷道环境空间受限，多瓦斯和粉尘，这就要传感器具有良好的穿透能力。同时煤矿地下环境温度高，湿度大，且电磁环境复杂，良好的抗干扰能力是传感器不可或缺的性能。毫米波雷达因其更高的分辨率以及对复杂环境的适应能力，在地下煤矿环境应用方面具有得天得厚的优势。如图1所示，为了实现环形感知，需在履带机器人周身安装多个毫米波雷达。针对不同距离的探测需求，分别设计短距离毫米波微带天线和长距离毫米波微带天线。

图1 天线波束覆盖示意图

考虑到地下巷道复杂的电磁环境，应用于履带机器人的毫米波微带天线应具备更强的抗干扰能力，这就要求所设计天线的副瓣电平尽可能低。同时，地下巷道中光线暗，湿度大，所设计的毫米波天线的带宽应尽量宽，以达到较高的分辨率。除此之外，与地面自动驾驶的应用场景相比，地下矿井环境中各运动物体的运动相对缓慢。因此，在地下矿井场景中的探测距离要求较低，这也使得微带天线的最大增益可相对降低。故针对于地下煤矿环境的特点，相应的毫米波雷达系统的天线应具备强抗干扰能力和高分辨的优良性能。

2 宽带切比雪夫线阵设计

笔者设计的宽带低副瓣毫米波微带天线采取的介质基板为Rogers RO4835 LoPro(相对介电常数εr为3.66，损耗角正切值为0.003 7，介质基板厚度h为4 mil。1 mil≈0.025 4 mm)，并借助HFSS仿真件平台进行天线设计和分析。

2.1 切比雪夫线阵结构

为了提高雷达系统的抗干扰能力，要求天线的副瓣电平尽量低。而对于一般的均匀直线阵，副瓣电平大概为-13.5 dB，不能满足车载雷达的应用需求。道尔夫-切比雪夫方法是一种能够控制副瓣电平的阵列天线综合方法，其对应阵列称为切比雪夫阵列。文中所设计天线的主辐射天线采取切比雪夫线阵。线阵通过调节各阵元的宽度控制各阵元的电流激励幅度来满足道尔夫-切比雪夫分布，以此来降低副瓣。

切比雪夫第一类多项式为[20]

Tm(x)=cos(mu) ，

(1)

其中，x=cosu。由三角函数恒等式，得到切比雪夫多项式的递推公式为

Tm+1(x)=2xTm(x)-Tm-1(x) 。

(2)

根据上式，编写切比雪夫阵列综合算法，得到各单元贴片电流激励幅度比值为1.000∶0.812∶0.519∶0.262，并由此来确定各阵元宽度。

切比雪夫线阵的示意图如图2(a) 所示。 在HFSS仿真环境中建立切比雪夫线阵模型，并进行仿真优化。图2(b)、(c)分别为切比雪夫线阵优化后得到的回波损耗曲线及二维方向图。

根据图2中的回拨损耗曲线及二维方向图，可以得到切比雪夫线阵的归一化最大副瓣电平为-16.4 dB，具有良好的低副瓣特性，但同时-10 dB的阻抗带宽仅为0.8 GHz(76.7～77.5 GHz)。这是因为切比雪夫阵列综合的方法通过对电流进行锥削处理虽然降低了副瓣，但同时也会使得天线的带宽变窄。很显然，当前的天线不能满足毫米波雷达的需求。为此文中通过增加空气层和矩形寄生单元的方法对带宽进行展宽。

(a) 微带线阵示意图

2.2 加入寄生单元的宽带切比雪夫线阵

微带天线阻抗频带窄的根本原因在于它是一种谐振式天线，其特性犹如一个高Q并联谐振电路。因此，展宽带宽的基本途径就是降低等效谐振电路的Q值，可通过采取增大基板的厚度，降低介电常数等方法实现。笔者引入空气腔和寄生单元展宽现有切比雪夫线阵带宽。一方面由于空气的相对介电常数(εr=1.000 585)低于基板1、2的相对介电常数，这使得天线整体的等效介电常数降低。另一方面，寄生单元的出现可增加新的谐振点，进一步展宽带宽。

宽带切比雪夫线阵为双层结构，其空间结构具体如图3所示。上下两层介质基板均采用Rogers RO4835 LoPro，其中切比雪夫线阵位于下层介质基板，作为天线的主辐射体。8个矩形寄生单元位于上层介质板，且每个寄生单元均位于切比雪夫线阵中矩形辐射贴片的正上方。

(a) 侧视图

在HFSS环境中建立宽带切比雪夫线阵的仿真模型，并观察其性能参数。加入寄生贴片和空气层后，天线整体的等效介电常数发生改变，从而使得等效介质波长发生改变，为了得到在期望频段内良好的辐射性能，因此需要对天线的尺寸重新进行仿真优化。

除辐射贴片的尺寸外，空气层的高度h1也会对天线的性能产生影响。图4为不同空气层高度对应的回波损耗曲线以及二维方向图。

图4 空气层高度对反射系数的影响

如图可知，h1= 0.20 mm为此时最优的空气层高度。过小的空气层高度无法满足增大带宽的需求；而过大的空气层高度，会使介电常数过小，相应的电长度变化过大，容易发生相位偏移的情况。

经过优化后，得到宽带切比雪夫线阵的回波损耗和二维方向图如图5所示，其具体尺寸如表1所示。

表1 宽带切比雪夫线阵尺寸表

(a) 回波损耗曲线

根据回波损耗曲线，可以得到切比雪夫线阵在76.7～83 GHz频段内，其反射系数S11<-10 dB，也就是说，此时切比雪夫线阵-10 dB 阻抗带宽为6.3 GHz。显然，加入寄生单元后，天线的阻抗带宽得到了扩展，能够满足毫米波雷达高分辨率的需求。

根据二维方向图可知，天线的最大增益为12.5 dBi，E面半功率波束宽度为24.2°，H面半功率波束宽度为79.6°，归一化副瓣电平为-18 dB，满足低副瓣的要求，相比于副瓣电平一般为-13.5 dB的等幅阵列，该天线能够有效提高雷达的抗干扰能力。

该线阵虽然具有优良的性能，但最大增益较低，无法应用于矿山机器人进行远离探测，故下文将以该双层线阵为子阵进行阵列天线的设计。但值得注意的是，该双层线阵不仅可作为子阵，还可作为毫米波雷达系统的接收天线和短距离发射天线。

3 宽带低副瓣毫米波微带天线阵列设计及分析

上节设计的双层线阵虽然具有宽带、低副瓣等优良特性，但增益较低，无法满足远距离雷达的应用需求。本节将以上节线阵为基础，采取T形功分器，设计一款适合远距离雷达的宽带、低副瓣毫米波阵列天线。

3.1 馈电网络设计

阵列天线采取1×4 微带T形功分器为馈电网络，微带馈电网络具有设计简单、尺寸小和方便加工的优点，但也存在容易发生相位偏移的问题，故需要对微带功分器的设计进行反复的优化。

微带T形功分器的结构示意图如图6所示。笔者设计的微带阵列天线左右为对称结构，因此研究馈电网络时只需研究左半平面。令左半平面两边往中间的两条线阵的电流分布为I1∶I2=1.00∶0.43。因本设计中主馈线的特性阻抗为100 Ω，故对应各线阵中阻抗变换段的特性阻抗分别为43 Ω、65 Ω，并由此确定各四分之一波长阻抗变换段的宽度。根据计算尺寸在HFSS环境中建立仿真模型。

图6 微带T形功分器示意图

通过仿真优化得到图7所示的回波损耗曲线和各个端口的电流激励幅度比。仿真结果显示，该馈电网络在75～84 GHz频段内均有良好的阻抗匹配效果，各端口的电流激励比基本达到预期值。

(a) 回波损耗曲线

3.2 天线阵列设计及分析

利用上节得到的微带T形功分器完成天线阵列的设计。天线阵列为双层结构，寄生贴片位于上层介质基板，切比雪夫阵列位于下层介质基板，如图8所示。其优化结果如图9所示。

(a) 上层寄生贴片

(a) 回波损耗曲线

如图9(a)所示，在76.7～83.6 GHz频段范围内，反射系数S11<-10 dB，即该阵列天线的-10 dB阻抗带宽为7 GHz。图9(b)为H面方向图，最大增益为17 dBi，归一化最大副瓣电平为-24 dB，半功率波束宽度为24.2°。图9(c)为E面方向图，由于馈电网络本身的辐射，E面方向图的归一化最大副瓣电平出现略微上升的情况，此时的归一化最大副瓣电平为-15 dB，半功率波束宽度为24.0°。

表2将笔者提出天线的性能和该论文引用文献中的天线性能进行了对比。结果表明，该天线具有较高的阻抗带宽、较低的副瓣电平、较小的尺寸，虽然最大增益相比于其他论文中的天线的最大增益较低，但是满足矿山机器人环境探测的需求。综合各参数，该阵列天线具有宽带、低副瓣等优良性能，能很好地满足毫米波雷达的需求，在矿山机器人环境探测方面具有良好的应用前景。

表2 笔者文中所提出的宽带低副瓣天线阵列与其他文献天线性能对比

4 结束语

笔者提出一种适用于煤矿探测机器人的宽带、低副瓣毫米波微带天线。它采用双层堆叠结构，由主辐射天线、空气层以及寄生单元构成。主辐射天线采取切比雪夫阵列实现低副瓣特性，空气层和寄生单元的加入用以展宽天线带宽。仿真结果表明，所设计天线的工作带宽为76.7～83.6 GHz，E面和H面最大副瓣电平分别为 -15 dB和-24 dB，峰值增益为17 dBi，能够有效提高雷达系统分辨率以及抗干扰能力。因此，笔者提出的宽带低副瓣毫米波微带天线适配于77 GHz毫米波雷达环境探测系统。