一种用于交通测速的毫米波天线阵的设计

林 鑫，邵晓龙，黄 一，胡俊毅，李丽娴

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

一种用于交通测速的毫米波天线阵的设计

林 鑫，邵晓龙，黄 一，胡俊毅，李丽娴

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

基于交通测速雷达高精度、轻型化和小型化等要求，给出了以一种可用于交通测速的毫米波天线阵的设计。天线阵采用串并混合馈电方式，对天线单元以及馈电网络进行独立设计，对天线阵进行一体化设计和加工验证。天线阵采用串、并联方式进行馈电，从而实现天线单元幅度的泰勒分布，使得天线阵在24～24.25 GHz的工作频段内，在E面和H面均获得小于-20 dB的低副瓣性能。整部天线阵具有轻型化、低副瓣和高增益等特点，满足作为交通测速雷达的需求。

串并混合馈电；泰勒分布；低副瓣；毫米波

0 引言

随着交通安全形势日益严峻，智能交通系统被越来越多地应用[1]。交通测速雷达以其测速精度高、设备轻便、成本适中、安装维护方便和全天候等优点已成为目前技术发展的趋势。天线阵作为毫米波测速雷达的重要组成部分，也是构成系统成本的一个重要组成部分。

实用的毫米波天线通常可分为2类：① 以传统天线为基础的高增益定向天线，如反射面天线、喇叭天线等；② 新型的毫米波天线，如表面波天线、微带天线等[2]。抛物面天线或喇叭口天线体积较大，重量较重，越来越无法满足交通测速雷达小型化、轻型化等要求。因此，微带天线具有重量轻、易集成、可批量化生产以及价格低等众多优点使其成为理想的天线形式。

本文提出了一种用于交通测速的毫米波雷达天线阵的设计，其具有轻型化、高增益和低副瓣等优点，是一种较为理想的测速雷达天线方式。

1 总体设计思路

毫米波天线阵可以分解为天线单元与馈电网络2个部分。根据文献[3-4]所述，微带矩形贴片单元具有结构简单、易加工和便于集成等优点，因此天线阵中的天线单元采用矩形贴片单元形式；根据天线原理，可以知道面阵的方向图由横向(水平方向)线阵和纵向(垂直方向)线阵的方向性决定[5]。因此馈电网络可以分为行馈和列馈2个部分，行馈和列馈各个端口功率按照泰勒分布进行设计，以满足低副瓣要求。通过对行馈和列馈的独立设计，从而实现天线阵H面与E面方向图的副瓣均小于-20 dB的要求。

2 关键技术

2.1 天线单元设计

天线单元采用矩形贴片单元形式，如图1所示。

图1 矩形贴片单元示意

天线单元采用微带线馈电。天线选用材料为TLX-6，其介电常数εr=2.55，板厚h=0.5 mm。为了与馈电网络匹配，馈线的宽度t=0.2 mm，其特性阻抗为120 Ω。

对于介质基片厚度为h，谐振频率为f0，且要求矩形天线单元辐射效率较高的条件下，其a，b和l应满足如下公式[6]：

在此基础上，采用HFSS对槽宽w进行优化，得w=0.5 mm。优化后的天线驻波比如图2所示。

图2 矩形贴片单元驻波比曲线

2.2 馈电网络设计

在馈电网络的设计中，天线阵列使用串并混合馈电方式进行馈电。根据天线原理，可以知道面阵的方向图由行馈(水平方向)线阵和列馈(垂直方向)线阵的方向性决定，因此，馈电网络采用行馈网络和列馈网络的独立设计。

为了使天线单元都是同相馈电，波束指向边射方向，天线单元行列间距均为微带线中传输的一个波长λg[7]。

λg应满足如下公式[8]：

式中，h为介质板厚度；W为馈线宽度，取W=1 mm；λg约为8.7 mm，即天线单元行列间距均为8.7 mm。

2.2.1 行馈设计

根据工程要求，天线阵面可利用尺寸为200 mm×150 mm，因此行馈中的单元个数为：200/8.7≈22。

在工程设计中，一般采用泰勒综合法实现天线低副瓣特性[9]。为了使行馈线阵方向图副瓣电平小于-20 dB，考虑到实际工程误差，理论上按照副瓣-22 dB进行设计。根据线阵各单元泰勒分布公式，可以获得22个单元输入泰勒分布值，其值如表1所示。

表1 行馈网络归一化电流

行馈网络由2个串馈电路再并馈而成，其拓扑结构如图3所示。

图3 行馈网络拓扑

根据表1，采用1/4阻抗变换技术[10]，使用HFSS软件，对行馈网络进行设计。行馈是左右对称网络，行馈网络1～11端口的幅相分布如图4和图5所示。由图4可以看出，行馈在工作频带内，幅度起伏小于1 dB，各个端口幅度满足泰勒分布；由图5可以看出，行馈在中心频点24.125 GHz处，归一化相位差小于10°，由于行馈是采用串馈方式，因此，在高频与低频处，归一化相位呈准等差分布。

图4 行馈网络各端口插损幅度分布

图5 行馈网络各端口归一化相位分布

2.2.2 列馈设计

列馈网络同样采用泰勒综合法实现天线低副瓣特性。馈中的单元个数为：150/8.7≈16。其归一化泰勒分布值如表2所示。

表2 列馈网络归一化电流

列馈网络同样由2个串馈电路再并馈而成，其拓扑结构如图6所示。

图6 列馈网络拓扑

根据表2，采用1/4阻抗变换技术，使用HFSS软件，对列馈网络进行设计。图6中列馈网络共有32出口，其是上下左右对称网络，列馈网络中1～8端口的幅相分布如图7和图8所示。由图7可以看出，列馈在工作频带内，幅度起伏小于0.5 dB，各个端口幅度满足泰勒分布；如图8所示，列馈在中心频点24.125 GHz处，归一化相位差小于5°，由于列馈同样是采用串馈方式，因此，在高频与低频处，归一化相位也呈准等差分布。

图7 列馈网络各端口插损幅度分布

图8 列馈网络各端口归一化相位分布

3 天线阵面实现以及应用分析

天线阵实物全图以及局部放大图如图9所示。

图9 天线阵面实物

天线阵面行馈上连接矩形贴片单元，列馈上连接行馈。为了使天线单元对于中间列馈的互耦影响一致，天线阵面上下2部分呈对称结构，从而导致上下2部分天线单元相差180°，因此，如图9(b)所示，为了使天线单元辐射的电流保持同相，在馈电点到上下阵面引入半波长电长度差，即

a2-a1=λg/2=4.35 mm。

天线阵面实测驻波如图10所示。天线阵面在24～24.25 GHz的工作带宽内，其驻波均小于1.5，匹配良好。

图10 天线阵面驻波

天线阵面低、中和高3个频点H面和E面方向图如图11所示。天线阵面测试各个参数指标如表3所示。天线阵面H面和E面副瓣均小于-20 dB，天线增益大于27 dB，其具有高增益、低副瓣等优点。

图11 天线阵面方向图

频率/GHz增益/dBH面E面3dB波宽/(°)副瓣/dB3dB波宽/(°)副瓣/dB2427．64．28-24．36．42-25．524．12527．74．19-22．76．50-24．024．2527．54．04-22．56．66-22．5

4 结束语

本文详细介绍了一种毫米波交通测速雷达天线阵的设计。天线阵的单元采用矩形贴片单元形式，馈线网络采用串并混合馈电网络。在24～24.25 GHz的工作带宽内，天线阵驻波小于1.5，匹配良好；其H面和E面副瓣均小于-20 dB，天线增益均大于27 dB，具有高增益、窄波束和低副瓣等优点，很好地满足了作为交通测速雷达的使用要求，目前，该天线阵已经在某型交通测速雷达中得到应用。

[1] 赵仲郎.交通测速雷达系统设计与实现[D].南京：南京理工大学，2012.

[2] 林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002：1 064.

[3] JAMESJ R,HALL P S.Handbook of Microstrip Antennas (Vol.I) [M].London:Peter Peregrinis,1989:815-816.

[4] 钟顺时.天线理论与技术[M].西安：电子科技大学出版社，2011：261-262.

[5] MILLIGAN T A.Modern Antenna Design (Second Edition) [M].New York:Wiley Publishing,2012:88-89.

[6] 阮志彬，赵建军，刘景顺.矩形微带天线的设计及分析[J].无线电工程，2000，30(1)：38-40.

[7] STUTZMANW L,THIELE G A.Antenna Theory and Design[M].New York:Wiley Publishing,1998:88-90

[8] 廖承恩．微微波技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002：113-115.

[9] 李丽娴，胡俊毅，王建中．一种新型C波段轻型低副瓣线阵天线[J]．无线电工程，2014，44(10)：55-58．

[10] POZARD M.Microwave Engineering (Third Edition) [M].New York:Wiley Publishing,2006:62-63.

林 鑫 男，(1983—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

邵晓龙 男，(1988—)，硕士，工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

Design of a Millimeter-wave Array for Traffic Speed-measuring

LIN Xin,SHAO Xiao-long,HUANG Yi,HU Jun-yi,LI Li-xian

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109，China)

Under the necessity of high accuracy,low weight and small scale in traffic speed-measuring radar,the design of a millimeter-wave array for traffic speed-measuring is proposed in the paper.The array is fed with serial and parallel mode.Firstly,the antenna element and the network are designed and optimized separately.Then the array is designed and fabricated with integrative way.The Taylor distribution of elements amplitude is achieved by design of serial and parallel feed mode.The millimeter-wave array achieves low side lobe level of -20 dB in both E-plane and H-plane in Ka frequency range (24～24.25 GHz).This millimeter-wave array provides low weight,low side lobe level and high antenna gain,which is already applied in a traffic speed-measuring radar system.

series and parallel feed mode;Taylor distribution;low_side lobe;millimeter-wave

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.17

林 鑫,邵晓龙,黄 一,等.一种用于交通测速的毫米波天线阵的设计[J].无线电工程,2017,47(5):71-74.[LIN Xin,SHAO Xiaolong,HUANG Yi,et al.Design of a Millimeter-wave Array for Traffic Speed-measuring[J].Radio Engineering,2017,47(5):71-74.]

2017-02-22

上海航天技术研究院核攀基金资助项目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2017)05-0071-04