基于SIR结构的毫米波汽车雷达天线阵列设计

欧阳军，凌龙辉，马中华

(1.集美大学航海学院，福建 厦门 361021；2.集美大学海洋信息工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

交通事故主要由超速、疲劳和违规驾驶所致，多为车车相撞或车人(物)相撞。虽然所有的汽车都配备了安全带、安全气囊等防护装置，但是这些措施都是发生事故后采取的一些补救措施，是一种被动式防护，因此还是会造成大量的人员死亡和巨大的经济损失。汽车发生事故的绝大部分原因是由于司机来不及采取措施造成的。为避免车祸的发生，20世纪60年代，世界上开始研究用于汽车驾驶安全防护的汽车防撞雷达，具体研究有超声波测距、激光探测定位、视频图形识别技术、红外成像技术等[1-5]。但是这一时期微波理论和器件集成度低，研制的防撞雷达效果较差。

近年来微波理论及微波器件技术的迅速发展，特别是毫米波技术的应用，使得汽车雷达系统的性能出现质的飞跃，一些与汽车雷达相关的模块被开发设计出来，如滤波器、混频器和功率放大器等[6-8]。

毫米波技术具有远距离的探测能力，对灰尘烟雾穿透能力较强，受气候的影响较弱，在黑暗或恶劣的环境中相对性能更好[9]。毫米波系统的防撞雷达一般工作在24 GHz和77 GHz，采用调频连续波(frequency modulated continuous wave，FMCW)制式工作。而天线作为毫米波雷达系统收发电路重要的组成部分，决定了雷达系统的体积、作用距离、反应速度、系统带宽、增益、方向性和扫描角度等关键参数。文献[10]提出了一种用于76.5 GHz汽车雷达系统的45°线极化微带梳状天线阵列，天线增益为11.4 dBi，旁瓣电平低于-16.5 dB。文献[11]采用矩形微带贴片辐射单元，设计48个阵元的微带阵列天线，使用改进的非均匀加权振幅激励，仿真增益达到19.82 dB，天线尺寸为73 mm×84 mm,E面的波瓣宽度为23°，H面的波瓣宽度为12.8°，旁瓣电平为-14.5 dB,U形槽在馈线的两边，改变槽的深度即改变馈电点，馈电网络比较复杂。文献[12]的天线阵列采用两个并馈线阵，增益达到20 dBi，旁瓣电平较低，E面的3 dB波束宽度为24°，H面的3 dB波束宽度为9°。文献[13]提出改进的微带富兰克林阵列天线，工作频率为24 GHz，增益达到7.2 dBi，E面的3 dB波束宽度小于20°，H平面的3 dB波瓣宽度小于80°，可实现大面积覆盖，天线的10 dB阻抗带宽约为250 MHz，天线尺寸为90 mm×25 mm，波束较宽，旁瓣电平较大。文献[14]提出工作频率为24 GHz 谐振式串并联馈电的微带平面阵列天线，和单纯的并馈或者串馈相比减小了馈电网络的损耗，提高了天线阵的空间利用率，增益达到22 dBi，3 dB波束宽度为12°，旁瓣电平为-12 dB，采用36元阵，尺寸为68.89 mm×68.89 mm，但馈电网络较为复杂。文献[15]采用了凯泽贝塞尔函数进行幅度加权实现了4×8元阵的天线，有效地抑制了旁瓣电平。文献[16]采用矩形微带贴片辐射单元，串并混合馈电方式，设计了4×14单元的微带天线阵列，仿真得到的增益达到21.7 dBi，水平方向波瓣宽度为8.8°，垂直方向的波瓣宽度为18.7°，旁瓣电平为-13 dB，天线尺寸为124.6 mm×35.6 mm。以上大都采用矩形微带单元组成天线阵列，馈电结构比较复杂，E面和H面的主瓣波瓣宽度较大，不利于防撞雷达的障碍物判断，且面积较大。

为了提高天线的方向性和增益，实现波束赋形，同时实现波束的相控扫描和低副瓣电平的方向图[17]，本文提出了基于阶梯阻抗谐振器(stepped-impedance resonator，SIR)微带线阵的24 GHz毫米波雷达天线阵列：用多个SIR单元构成线阵，增加SIR微带贴片数目提高增益，调整不同的SIR尺寸控制工作频带的大小，采用简单的功率分配网络实现了方向图的综合；采用串馈构成SIR微带线阵，且线阵是对称结构，三个T型微带结将四个线阵用并馈的方式组合成天线阵列，以实现同相馈电。

1 SIR理论

SIR微带结构被广泛应用于滤波器设计[18-19]、超材料[20]和天线设计[21]。高低阻抗的微带线串联组成SIR谐振器。高阻抗的微带线等效成一个串联电感，低阻抗的微带线等效成一个并联电容，它们构成了SIR谐振器。SIR谐振器通过调整两段微带的阻抗比和高低阻抗微带线的长度来控制与它相对应的谐波频率，以补偿奇数模式和偶数模式的不相等相位速度。基于该结构，可以获得较宽的谐振频带。在图1中较宽的微带为低阻抗值，较窄的微带为高阻抗值，分别具有电长度为θ1和θ2的不同特征阻抗(Z1和Z2)。两条微带传输线分别具有不同的特征阻抗和不同的电气长度。

从开路端的输入阻抗Zin可得出SIR的基本谐振条件[22]，可以写为：

Zin=jZ2(Z2tanθ2+Z1tanθ1)/(Z2-Z1tanθ1tanθ2)。

由于开路，输入阻抗为无穷大，即Z2-Z1tanθ1tanθ2=0，于是得到阻抗比

k=Z2/Z1=tanθ1tanθ2。

即，调节阻抗比就可以调节相应的谐振频率。

2 一维SIR线阵设计

选用罗杰斯5880介质板，相对介电常数2.2，损耗角正切0.0009，介质板厚度0.508 mm。使用高频结构仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)软件对一维线阵进行建模，低阻抗微带宽度加权，高阻抗微带宽度不变，组成8个SIR线阵，且线阵也是对称的，如图2所示。高阻抗微带和馈线宽度固定为0.4 mm，高阻抗微带线的长度为4.1 mm，馈线长度0.2 mm；从馈线开始低阻抗微带宽度依次为1.28，2.38，3.48，4.58，4.58，3.48，2.38，1.28 mm，长度全部为4.1 mm。

图3是单个线阵仿真的三维方向图，线阵是一个扇形体辐射。沿着线阵方向的YOZ面为H面，与线阵垂直方向的XOZ面为E面，Phi指沿着线阵平面的水平方向角度。在XOZ面主瓣宽度非常窄，在YOZ面是一个扇形辐射特性。单个线阵的最大增益达到了16.6 dBi，旁瓣很小。

图4是单元线阵在天线工作频率为24.125 GHz时XOZ平面和YOZ平面的辐射方向图。在XOZ面上形成一个窄波束辐射，最大增益达到16.4 dBi，主瓣3 dB宽度为10°，旁瓣电平抑制度为17.9 dB。在YOZ面上为半圆形辐射。这种线阵单元再进行组阵可极大减小YOZ面的波瓣宽度，形成一个窄波束辐射特性。

图5是单元线阵输入阻抗特性曲线图，在工作频率为24.000 GHz时，Zin=78.7-j*2.98 Ω；工作频率为24.125 GHz时，Zin=109.4-j*0.36 Ω；工作频率为24.250 GHz时，Zin=137.4-j*33.6 Ω。需要通过T型结馈电网络将单元线阵的输入阻抗匹配到特性阻抗为50 Ω。

3 天线阵列设计

天线阵列由8个SIR线阵单元、3个T型微带功分器和6条四分之一微带阻抗变换器组成。8个SIR采用串馈方式构成微带线阵，且线阵是对称结构。馈电网络由3个T型结构的一分二、二分四的功分器和四分之一波长阻抗变换器组成，4个SIR微带线阵采用并馈方式。

3.1 馈电网络设计

3.2 四线阵设计

将4个图2所示的一维线阵和图6所示的馈电网络组合起来构成毫米波雷达天线阵列，如图7所示。该阵列尺寸为75 mm×33 mm，基板尺寸为85 mm×42 mm，线阵单元之间的间隔是一个波长，约为9.36 mm。

用HFSS设计软件建模仿真，得到天线阵列输入端的反射系数和电压驻波比(voltage standing wave ratio，VSWR)曲线分别如图8和图9所示。表1为在工作频率24.000，24.125，24.250 GHz时，反射系数、VSWR和输入阻抗的具体数值。

表1 天线阵列反射系数、VSWR和输入阻抗的数值

图10是天线阵列三维方向图的仿真结果，4个线阵组成阵列后，形成了极窄的主波束辐射，天线增益达到21.6 dBi，旁瓣电平较低。图11是仿真的阵列天线输入阻抗曲线图，当工作频率为24.000 GHz时，输入阻抗为41.3-j*6 Ω；当工作频率为24.125 GHz时，输入阻抗为50.1-j*0.5 Ω；当工作频率为24.250 GHz时，输入阻抗为45.7-j*14 Ω。电阻基本接近50 Ω，在250 MHz工作带宽内电抗较小。

图12是天线阵列在XOZ面和YOZ面的辐射方向仿真图。在24.000 GHz工作频率下，峰值增益达到21.65 dBi，XOZ面主瓣的3 dB波瓣宽度为10°，YOZ面主瓣的3 dB波瓣宽度为17°，旁瓣电平抑制度为11.6 dB；在24.125 GHz工作频率下，峰值增益达到21.67 dBi，XOZ面主瓣的3 dB波瓣宽度为10°，YOZ面主瓣的3 dB波瓣宽度为16°，旁瓣电平抑制度为12.35 dB；在24.250 GHz工作频率下，峰值增益达到21.47 dBi，XOZ面主瓣的3 dB波瓣宽度为11°，YOZ面主瓣的3 dB波瓣宽度为16°，旁瓣电平抑制度为10 dB。

4 实物测试结果

图13是SIR阵列天线的实物照片。图14是反射系数的测试结果，反射系数小于-10 dB的频带很宽。在24.000～24.250 GHz工作频带内，反射都小于-14 dB。在中心频率24.125 GHz上，反射系数为-14.84 dB；在24.000 GHz频率上，反射系数为-14.32 dB；在24.250 GHz频率上，反射系数为-15.9 dB。图15是天线阵列输入端口的电压驻波比测试结果，在250 MHz工作频带内，电压驻波比都小于2。在中心频率24.125 GHz处VSWR为1.64；在24.000 GHz处为1.41；在24.250 GHz处为1.91。在24.125 GHz频点上，待测天线的功率为-54.215 dBm，对比天线的功率为-53 dBm，待测天线比对比天线小1.2 dB，那么待测天线的增益=20.6-1.2=19.4 dBi。将参考天线的增益及接收功率和被测天线阵列对比，得到此天线阵列在23～25 GHz范围内的增益曲线如图16所示，在24.000～24.250 GHz频带范围内，天线增益都大于18.5 dBi，在通带内增益波动只有0.9 dB。

图17和图18分别是在中心频率24.125 GHz上测试天线XOZ面和YOZ面的辐射方向图。XOZ面主瓣的3 dB波瓣宽度10°，YOZ面主瓣的3 dB波瓣宽度17°；XOZ面的旁瓣抑制度达到11 dB，YOZ面的旁瓣抑制度达到12 dB。由于介质板背面有接地层，因此天线反向辐射较小。表2为其他24 GHz微带天线阵列特性和本研究的对比，由表2可见本文提出的基于SIR结构的毫米波汽车雷达天线阵列在增益、波瓣宽度和尺寸方面都具有较好的性能。

表2 SIR天线阵列特性和其他文献的比较

5 结论

本文设计了一种用于毫米波汽车防撞雷达的SIR微带天线阵列，工作频率在24.000～24.250 GHz之间，工作带宽达到250 MHz。天线阵列尺寸为85 mm×42 mm，在微波介质板上制作此天线阵后进行测试，峰值增益达到19.4 dBi，旁瓣抑制度达到11 dB，通带内的电压驻波比小于1.5。XOZ面的主瓣宽度只有10°，YOZ面的主瓣宽度只有17°，可以精确探测到前方的物体。实现了高增益、低副瓣、窄波束的特性，非常适合应用于汽车雷达系统。