面向毫米波雷达应用的微带阵列天线仿真与设计

董泽赟，欧阳政，张 哲，李丁辉，耿云杰

（北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

1 引言

近年来，随着5G 网络的逐步商用，毫米波雷达技术得到迅速发展。与摄像头、红外、激光等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候（大雨天除外）全天时的特点，在车联网、智能交通等系统中发挥着越来越重要的作用。天线作为雷达系统中不可缺少的一部分，对毫米波雷达的尺寸、成本和性能有着巨大的影响，因此对毫米波雷达天线的研究有着重要意义。现有的毫米波雷达天线主要包括：微带阵列天线和波导缝隙阵列天线。相较于后者，前者具有加工成本低、设计简单等优点，是众多毫米波雷达产品首先选择的天线形式［1］。常见的微带阵列天线主要包括贴片阵列天线和梳状阵列天线两种。本文面向E 波段（60～90 GHz）毫米波雷达的具体应用，基于贴片阵和梳状阵两种阵元结构，根据阵列天线的基础理论，分别进行1×10 和4×10 微带阵列天线的仿真和设计，分析对比并总结两种阵列天线结构的优缺点，为后续毫米波雷达中微带阵列天线的研究提供技术参考。

2 贴片阵列天线设计

2.1 1×10 贴片阵列天线

所设计天线工作频率为79～81 GHz，采用R5515作为介质基板，相对介电常数为3，损耗角正切为0.003 5，板材厚度为0.254 mm。

当辐射贴片的谐振频率为f时，则其宽度为［2］

其中，c为光速，εr是相对介电常数。辐射贴片的长度L通常为

其中εe为有效介电常数，ΔL为等效缝隙长度，且

选定谐振频率f=80 GHz，并将选定板材数据代入上式，可以计算得到贴片的初始尺寸为W=1.32 mm，L=0.93 mm。

通过改变阵列中每个贴片的宽度，可以控制其激励的幅度，使单元的功率分布满足切比雪夫分布以降低副瓣电平［3］。取目标副瓣电平值为-30 dB，求得电流幅度比值为0.257 5∶0.430 0∶0.669 2∶0.878 0∶1.000 0∶1.000 0∶0.878 0∶0.669 2∶0.430 0∶0.257 5。根据电流幅度比值计算出原始贴片宽度，并利用仿真软件对参数进行优化，得到最终1×10 贴片阵列天线结构如图1所示，图中各参数的具体数值如表1所示。

表1 贴片天线尺寸表 单位：mm

图1 1×10 贴片阵列天线结构图

1×10 贴片阵列天线的输入端口的阻抗特性仿真结果如图2 所示。由图中可以看出，此天线阵列在中心频率80 GHz 处的S11幅值约为-14.6 dB，电压驻波比（VSWR）约为1.5，阻抗带宽|S11|＜-10 dB、VSWR＜2的范围分别为：79～81 GHz和78.9～81.2 GHz。

图2 1×10 贴片阵列天线的阻抗特性仿真结果

1×10 贴片阵列天线在80 GHz 处的辐射方向图如图3 所示，天线最大增益约为15.6 dBi，E 面3 dB 波束宽度约为11°，旁瓣电平约为-15.1 dBi，H 面3 dB 波束宽度约为77.5°。

图3 1×10 微带贴片天线阵列方向图

2.2 4×10 贴片阵列天线

在上述1×10贴片阵列天线的基础上，采用一分四功分器作为馈电网络进行4×10贴片阵列天线设计，设计方法采用阻抗变换法，主馈线的阻抗为50 Ω，传输线的阻抗为100 Ω，经过计算和优化得到功分器的结构图和各项参数分别如图4和表2所示［4］。

表2 一分四功分器尺寸表 单位：mm

图4 一分四功分器结构图

最终4×10贴片阵列天线结构图如图5所示，阵列长度为27.45 mm，宽度为11.4 mm。

图5 4×10 贴片阵列天线结构图

对4×10 贴片阵列天线进行仿真，得到输入端口的阻抗特性仿真结果如图6 所示。由图中可以看出，此天线阵列在中心频率80 GHz 处的S11幅值约为-14.9 dB，VSWR 约为1.4，阻抗带宽|S11|＜-10 dB、VSWR＜2 的范围分别为：77.6～81.2 GHz 和77.4～81.4 GHz。

图6 4×10 贴片阵列天线的阻抗特性仿真结果

4×10 贴片阵列天线在80 GHz 处的辐射方向图如图7 所示，天线最大增益约为19.5 dBi，E 面3 dB 波束宽度约为8.5°，旁瓣电平约为-13 dBi；H面3 dB波束宽度约为20°，旁瓣电平约为-12.6 dBi。

图7 微带贴片天线阵列方向图

3 梳状阵列天线设计

3.1 1×10 梳状阵列天线

为了更直观地对比两种阵元结构，梳状天线的工作频率和板材与上述贴片天线保持一致。

已知梳状单元的等效辐射电导与激励幅度分布满足

根据切比雪夫综合法，取目标副瓣电平值为-25 dB，求得电流幅度比值为0.395 0∶0.505 6∶0.721 4∶0.899 3∶1∶0.899 3∶0.721 4∶0.505 6∶0.395 0。由上式和电流幅度的比值可以计算得到各个阵元所对应的辐射电导为0.028 5∶0.046 6∶0.094 9∶0.147 5∶0.182 4∶0.182 4∶0.147 5∶0.094 9∶0.046 6∶0.028 5。

利用1×10均匀阵列提取辐射单元的谐振参数，先固定单元宽度W，调节单元长度L，使S11虚部为零时，即为谐振长度，此时提取的电导g 为单元归一化辐射电导。g可通过S参数仿真得到，谐振时归一化辐射电导为

设置单元宽度的变化范围0.1～0.5 mm，改变单元宽度，重复上述过程可以得到单元宽度W、单元长度L与辐射电导g之间的对应关系，并对单元长度随宽度变化数据、辐射电导随宽度变化数据进行拟合，获得单元宽度变化范围内与长度和辐射电导的一一对应关系，从而可以求得天线阵元的长和宽［5］。最终优化后得到梳状阵列天线的结构图和参数分别如图8和表3所示。

表3 1×10 梳状天线阵列尺寸表 单位：mm

图8 1×10 梳状天线阵列结构图

1×10 梳状阵列天线的输入端口的阻抗特性仿真结果如图9 所示。由图中可以看出，此天线阵列在中心频率80 GHz 处的S11幅值约为-28.9 dB，VSWR约为1.1，在扫频范围内阻抗带宽|S11|＜-10 dB、VSWR＜2的范围分别为：77～81.8 GHz和77～81.9 GHz。

图9 1×10 梳状阵列天线的阻抗特性仿真结果

1×10 梳状阵列天线在80 GHz 处的辐射方向如图10所示，天线最大增益约为14.5 dBi，E面3 dB波束宽度约为17.5°，旁瓣电平约为-17.8 dBi，H 面3 dB 波束宽度约为62.5°。

图10 1×10 梳状天线阵列方向图

3.2 4×10 梳状阵列天线

在上述1×10梳状阵列天线的基础上，采用同样的一分四功分器作为馈电网络进行4×10 梳状阵列天线设计。最终得到4×10 梳状阵列天线结构如图11 所示，天线阵列的长度为20.45 mm，宽度为11.4 mm。

图11 4×10 梳状天线阵列结构图

对4×10贴片阵列天线进行仿真，得到输入端口的阻抗特性仿真结果如图12 所示。由图中可以看出，此天线阵列在中心频率80 GHz 处的S11幅值约为-14.0 dB，VSWR 约为1.5，在扫频范围内阻抗带宽|S11|＜-10 dB、VSWR＜2 的 范 围 分 别 为：77～81.3 GHz和77～81.5 GHz。

图12 4×10 梳状阵列天线的阻抗特性仿真结果

4×10 梳状阵列天线在80 GHz 处的辐射方向如图13所示，天线最大增益约为17.7 dBi，E面3 dB波束宽度约为18.5°，旁瓣电平约为-13 dBi；H 面3 dB 波束宽度约为20.5°，旁瓣电平约为-14.3 dBi。

图13 梳状天线阵列方向图

4 两种微带阵列天线性能对比

表4 总结了上述两种微带阵列天线的结构尺寸、阻抗特性和辐射特性等性能参数。通过对比可以看到，梳状阵的尺寸相比于贴片阵约减小了1/4，阻抗带宽大于贴片阵，且辐射效率高于贴片阵列；但在中心频率80 GHz 处，贴片阵的最大增益要高于梳状阵，且E 面3 dB 波束宽度小于梳状天线，说明贴片天线阵列的方向性要优于梳状天线阵列。

表4 两种微带阵列天线对比表

5 结语

本文提出了两种80 GHz 微带天线阵列的设计方法，对比了两种天线各方面的性能参数，在相同的中心频率下，梳状天线的尺寸小，带宽大，辐射效率高，但增益较低，方向性差，贴片天线虽然带宽和辐射效率方面要劣于梳状天线，但其设计简单，增益高，方向性好。因此，在使用时可以根据性能需求灵活选择天线的结构。