小型化汽车防撞雷达封装天线

刘炜宸，张祥军，汪建锋

(中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

在过去的几十年里，伴随着中国经济的发展迅速，经济效益迅速增长，人们的汽车总持有量大幅增加，由于汽车数量的增加，每年发生的交通事故也在增加，因交通事故引发的财产损失只增不减。怎样让人们在享受汽车给生活带来便利的同时,降低交通事故发生的概率，提高汽车可靠性和安全性，已经成为各研究人员与各大汽车厂商的主要关注点。车载防撞雷达作为可有效预防交通事故的设备，逐渐成为研究人员们研究的热点并引起了消费者广泛的关注。车载防撞雷达一般工作在3个频段：24,35,77 GHz。工作在24 GHz频段的毫米波汽车防撞雷达一般安装在汽车后部，可实现变道辅助(LCA)、盲区监测(BSD)以及倒车侧向警告(RCTA)等功能。工作在35 GHz频段的毫米波汽车防撞雷达一般作为军事使用应用在军事领域。而工作在77 GHz频段的毫米波汽车防撞雷达一般安装在汽车前部，可用于实现自适应巡航(ACC)、紧急制动(AEB)、适应巡航(ACC)等功能[1]。

近年来，基于封装天线(antenna in package,AiP)技术的汽车防撞雷达吸引了一些研究学者广泛关注。由于基础微带贴片天线的尺寸限制，该类型天线的单元增益普遍处于较低水平，单一的天线结构基本很难满足汽车雷达系统的探测需求。例如，在文献[2]中所设计的天线为了增加频率稳定性并且提高天线方向图效果，通常通过在PCB中刻蚀多层寄生贴片的结构来实现。在文献[3]中实现了一种可用于24 GHz频段的超宽带阵列天线，其相对阻抗带宽能够达到25 %，该天线适用于短距离汽车雷达系统。文献[4]显示了通过改变单元的位置结构与馈电方式等方法来有效降低阵列天线的旁瓣电平，此种设计实现减少旁瓣对探测结果的干扰。可用于77 GHz频段短距离汽车雷达系统。文献[5]的设计减小了汽车雷达在进行短距离目标探测时的盲区范围，因为该设计采用Franklin阵列的形式在保证天线在E面方向的方向性的前提下，有效展宽了其H面方向上的波束宽度。此外，文献[6～8]中还将SIW技术用于汽车雷达天线及射频前端的设计上，与其他阵列相比，SIW缝隙阵列天线便于集成，因此,所需要的尺寸更小。

本文提出一种工作在77 GHz的毫米波汽车防撞雷达天线，该雷达天线实现了高增益、较宽的波束，以保证天线探测有足够远的距离和足够宽的广角范围，从而保证行车安全。本文的设计则采用AiP技术，该技术是过去近20年来为适应系统级无线芯片出现所发展起来的天线解决方案。如今AiP技术已成为77 GHz无线通信和手势雷达系统的主流天线技术。本文所提出的天线可以有效地作用于77 GHz汽车雷达防撞系统中。使用AiP将整个收发器集成在一个芯片之中，该天线与信号处理芯片一起构成一个完整的系统射频前端。

1 天线设计与分析

所提出的防撞雷达发射天线3D模型如图1所示，而防撞雷达四通道发射天线3D模型如图2所示，由3层金属和2层基底间隔组合而成，在本文的设计中，考虑到介质相对介电常数及损耗随频率变化的特性，选择金属层相对介电常数为3.38，损耗正切角为0.001，金属层厚度均为15 μm，尺寸为5 000 μm×9 000 μm×185 μm。

图1 防撞雷达天线单元结构

图2 整体防撞雷达天线结构

由于接地层和贴片元件之间的基板厚度很薄，天线的辐射效率会很低，并且大部分能量由于导体和介电损耗而耗散。所以，设计时在贴片元件下方引入一个特殊金属层来改善天线的性能。在本文所述方法中，为了实现阻抗匹配，天线采用同轴加共面波导(CPW)的复合馈电方式。

最底层贴片采用的是共面波导，图3为底层共面波导的尺寸与形状，共面波导蚀刻在汽车防撞天线的接地平面上，耦合由缝隙完成，共面波导采用直接馈电，很有效地屏蔽了周围电磁场。共面波导馈电可以具有更宽的工作频带，加工方便，且仅需要单一金属层，而且，其辐射的远区场方向图具有更好的对称性。天线上层部分的主辐射贴片，通过同轴线与底层共面波导相连接，因此，共面波导馈电通过同轴线直接给主辐射贴片上，由主辐射贴片进行耦合馈电。敷铜层厚度为15 μm。因为小的介电常数可以减少谐振腔中储存的电磁能量，从而降低Q值，展宽带宽，而且基片厚度太厚的话会激励起更多的表面波模式，并且改变方向性，所以一般毫米波频段天线都会选取低介电常数的薄介质基板。

图3 底层共面波导贴片

为了减少外界对防撞天线的影响，并增加天线带宽，在天线旁边放置许多金属化通孔，抑制能量损耗，从而实现高效率的天线定向辐射。如图4所示，其中上下部分即为金属化通孔。另外通过优化天线的间距、长度和宽度，实现满足宽带和高增益性能的天线阵列。精心设计天线的所有参数可以使得对天线的性能影响最小化。天线模型的谐振频率约77.0 GHz，AiP将整个天线和其他必要器件集成在一个芯片之中，该天线与信号处理芯片一起构成一个完整的系统射频前端。

图4 防撞雷达天线三视图模型

图5为汽车防撞雷达天线各项参数最佳尺寸的回波损耗，即S11。从图5中可以清楚看到,此时的谐振频率为77.0 GHz，带宽为76.55～77.57 GHz之间，涵盖了77 GHz汽车雷达系统的要求，满足应用要求。

图5 防撞雷达天线驻波仿真与测量结果

通过优化得到天线的结构最优质值，3个介质层厚度分别为H1=80 μm，H2=75 μm，H3=15 μm。金属镀层的厚度设定为15 μm。所提出的汽车防撞天线的最佳尺寸为：L1=5 000 μm，L2=980 μm，W1=1 140 μm，W2=164 μm，W3=9 000 μm，L3=1 656 μm，L4=625 μm，L5=200 μm，W4=630 μm，R=90 μm。

2 仿真与测量结果

为了验证所提出的天线，对所设计的防撞天线进行了制作和测试。汽车防撞天线的谐振频率为77.0 GHz。根据天线理论，借助计算机仿真技术，设计了汽车防撞天线模型，给出了其最佳参数与辐射性能，并加工制作毫米波天线样机。图5所示为天线输入端口反射S11测试结果，由图可见，实测阵列天线谐振频率在77.14 GHz处，与优化后仿真的天线谐振频率略有偏差，主要是在毫米波段加工精度问题，但还满足天线的工作要求，由图可见，实测阵列天线谐振频率在77.14 GHz处，与优化后仿真的天线谐振频率偏差140 MHz，可能是在毫米波段加工的精度问题，但还满足天线的工作频段，由图可知，仿真结果在76.47～77.46 GHz，S11<-10 dB，驻波良好，实测结果表明，该天线的工作频段在76.57～77.56 GHz，且S11<-10 dB。图6所示为防撞雷达天线各项参数取最优值时的天线方向图测试值，峰值增益为8.63 dBi，3 dB波瓣宽度76°。由此可知，天线可以满足77 GHz汽车雷达系统的要求。图7为天线实物演示。

图6 77 GHz处防撞雷达天线远场辐射方向图

图7 防撞雷达实物

3 结 论

本文提出了一种新型77 GHz汽车雷达防撞天线，仿真结果表明：该天线具有高增益、低副瓣、窄波束等优点，在仿真优化基础上对天线进行了加工和测试，基于天线内AiP设计，具有进一步减少设计尺寸和减少封装损耗的优点，使得设计尺寸达到微米(μm)级别。这种结构紧凑，性能优越的天线能有效满足77 GHz车载防撞雷达的要求，在该领域有广阔的应用前景。