24 GHz 雷达水位计天线的设计与研究

杨天择，单志勇,2

（1.东华大学信息科学与技术学院，上海 201620；2.教育部数字化纺织研究中心，上海 201620）

0 引言

新的通信系统（如雷达水位计）需要小型的、轻型的、高频的设备，因为它们的骨干是物联网（IoT），要作为无线网络来连接微小物体[1]。天线作为无线通信系统中发射和接收电磁波的部件，实现电能与电磁波能量相互转换的功能，是无线通信系统前端至关重要的部件[2]。所以，天线的设计也要满足新的通信系统所提出的小型化、轻型化、高带宽、高增益等要求。微带天线有着体积小、重量轻、易集成等特点，符合当代通信系统的发展趋势。应用于农业生产的雷达水位计天线工作地点为室外，为了使其能较好地完成水位测量工作，应该保证所设计的天线有着抗干扰能力强、辐射强度大、成本低廉、易安装易使用等优点。因此，本设计应当满足宽频带、高增益、半功率波束宽度小、电压驻波比小等要求。

对于微带阵列天线而言，均匀分布的阵列天线具有结构简单、增益较高的优点[3]，比较适合雷达水位计的设计。不过，微带天线也存在着增益较低、带宽较窄的缺点[4]。将多个辐射贴片按照一定的规律进行排列就形成了阵列天线，相比于普通微带天线，阵列天线的增益明显提高，方向性也更加集中，可有效解决普通微带天线增益不足的问题。但阵列天线并不能有效改善微带天线的带宽，研究表明，增加带宽会导致尺寸增加[5]，所以，在保证轻型化、小型化的前提下提高天线的带宽是本设计的难点。在所有微带天线中，矩形微带贴片天线有着最成熟的理论，设计方法也简单易实现，因此，选用矩形贴片作为微带阵列天线的辐射贴片。本文所设计的天线由三层介质组成，通过对三层介质的厚度进行优化设计，得出了三层介质的最佳厚度：从上至下介质厚度分别为0.254 mm、1.524 mm和0.508 mm，所以天线整体厚度仅为2.286 mm，有利于实现较宽的天线带宽。馈线宽度同样很大程度决定着天线的带宽：馈线太窄，不易加工；馈线太宽，馈线与天线单元间耦合增大，从而影响阵列天线的辐射性能[6]。针对阵列天线半功率角易偏大的问题，本设计采用对称式的单工双端口馈电的方式以及阵元宽度之间特定的宽度比来增强阵列天线的方向性。结合微带天线和阵列天线的特点，对所设计的微带阵列天线作如下性能指标要求：-10 dB带宽1 GHz以上，最大增益6 dB 以上，半功率角小于14°，带宽内的电压驻波比小于3。

1 天线结构的设计

辐射贴片采用理论最为成熟的矩形贴片，一般来说，矩形贴片的长取为电磁波在介质中的二分之一个等效波长，各贴片宽度从左至右依次为W 1、W 2、W 3、W 4。W 4 ∶W 3 ∶W 2 ∶W 1 满 足1∶0.95∶0.87∶0.75。贴片之间的宽度之比等于各阵元激励电流之比，满足道尔夫-切比雪夫分布，这种分布可有效增强天线的方向性并提高天线的抗干扰能力[7-11]。天线的介质板为三层不同介质的介质板叠加而成：最上层为“Taconic RF-35 (tm)”，介电常数为3.5；中间层为“Taconic RF-60 (tm)”，介电常数为6.15；最下层为“TLX-8”，介电常数为2.65。三层介质板的长均为L=47.7 mm，宽均为W=48.69 mm。当阵元数目较多时，并联馈电网络设计的阵列尺寸较大，造成天线馈线网络布局复杂，馈线损耗增大，而串联馈电又容易造成阵元相位偏移[4]。通过对几种馈电网络的性能进行分析，结合24 GHz 阵列天线阵元数较多的特点，选择采用串并联馈电的方式[5]。由微带天线和串联馈电的理论可知，线阵中每个辐射单元的长度都为二分之一个等效波长，要保证各阵元激励电流的相位和幅度相同，则各阵元间的馈线的长度也应该为二分之一个等效波长[6]。本文所设计的微带阵列天线共有2×7×8 个阵元，两个端口呈对称式分布，都可发射和接收信号。天线的单元图及正视图分别如图1、图2所示。

图1 矩形贴片

图2 微带阵列天线正视图

2 仿真结果分析

本次设计的模型构建、参数优化都是在高频仿真软件HFSS 上完成的，优化完成后又利用HFSS 对所设计的天线进行了仿真，并记录下结果。仿真结果显示：所设计的天线最大增益达到了8.38 dB，达到了6 dB 的指标，3D 方向图如图3 所示；增益在-10 dB以下的带宽为1.2 GHz（24 GHz～25.2 GHz），达到了1 GHz 的指标；在工作频率24.4 GHz 处的回波损耗为-19.5 dB，回波损耗图如图4 所示；半功率角为12°左右，达到了小于14°的指标，E 面方向图如图5所示；带宽内的电压驻波比小于3，达到了设计指标，电压驻波比如图6 所示。所测得的天线结果符合雷达水位计的性能需求。

图3 阵列天线的3D 方向图

图4 阵列天线的回波损耗图

图5 阵列天线的E 面方向图

图6 阵列天线的电压驻波比

3 结语

本文设计了一款应用于农业生产领域的24 GHz雷达水位计微带阵列天线，并采用对称式双端口馈电的方式对天线进行馈电。针对传统微带阵列天线带宽窄、半功率角偏大等问题，对这些天线性能参数进行了优化。仿真结果显示，天线的增益达到了8.38 dB，增益在-10 dB 以下的带宽为1.2 GHz（24 GHz～25.2 GHz），在工作频率24.4 GHz处的回波损耗为-19.5 dB，半功率角为12°左右。仿真结果表明，本文所设计的雷达水位计微带阵列天线达到了设计要求，将其投入到农田灌溉、生产养殖中，可为农业生产带来便利。