姜 兴，王开发，廖 欣，孙靖虎，王继恒，杨 明

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004;2.德赛西威智能交通研究院 有限技术先期研发部，广东 惠州 516000)

0 引 言

车载毫米波雷达在汽车主动安全等辅助驾驶中具有重要地位[1-3]。与激光雷达、视频监控等方式相比，毫米波防撞雷达具有全天时全天候的工作方式[4-5]。目前毫米波雷达主要应用的频段有24 GHz和77 GHz两个频段，77 GHz频段的雷达因具有探测距离更远、探测精度更高、雷达整机更易实现小型化的特点而拥有巨大的市场潜力。

天线作为雷达中重要的一部分，不同应用的车载防撞雷达对天线的增益和波束宽度要求不同[5-7]。车载角雷达主要用在变道辅助、盲区监测等方面，要求雷达天线具有宽的方位面波束宽度去覆盖宽的探测区域。目前应用在车载防撞角雷达的宽波束天线研究较少。文献[8]设计了一款基于波束赋形的宽波束、增益平坦阵列天线，通过对三个平面线阵进行波束赋形，得出每个线阵的馈电幅度相位，来展宽方位面的3 dB波束宽度。文献[9]设计了一款工作在24 GHz的宽波束天线，通过在天线的非辐射边加载蘑菇型结构，使蘑菇型结构的上下边沿与辐射贴片的边沿相位相差180°，通过调整辐射贴片大小来达到增大E面的波束宽度，使其波束达到150°。文献[10]使用两个发射天线组阵的方式分别馈入一路高增益窄波束天线和一路低增益宽波束天线，电子开关在两款天线之间分时工作，通过波束变换达到宽波束探测的目的。文献[11]通过在微带阵列辐射贴片上添加寄生贴片增加两侧辐射贴片的能量来达到拓宽波束的效果。

本文针对车载角雷达宽波束天线的需求，设计了一款双层宽波束天线，在1×10串馈天线的上方加载寄生贴片拓宽天线方位面3 dB波束宽度。天线仿真实测结果较吻合，能够满足系统的需求。

1 10单元串馈线阵设计

1.1 低副瓣线阵设计

微带天线具有剖面低、重量轻、易与电路集成的特点。本设计采用如图1所示的10单元微带串馈天线结构，介质基板采用Rogers3003,其相对介电常数εr=3.0，损耗角正切tanδ=0.001，厚度为0.127 mm。

图1 微带串馈线阵

天线贴片单元的长度影响着天线工作的中心频率，贴片单元的辐射边宽度影响每个单元的阻抗大小[12]，宽度Wp可以根据式(1)计算：

(1)

微带贴片长度与相对有效介电常数和介质基板厚度的关系为

(2)

根据相对有效介电常数，可计算出相对电长度

(3)

利用公式(2)和(3)可以计算出贴片单元的长度L：

(4)

(5)

为实现天线在方位面宽波束、在俯仰面低副瓣的需求，采用道尔夫-切比雪夫(Dolf-Chebyshev)综合法对线阵进行综合[13]，以此确定每个贴片的激励幅度系数，通过控制每个贴片单元辐射边的宽度调节阻抗来调节电流分布，满足每个贴片单元所需的功分比。10单元微带串馈阵列为对称结构，故只需要给出一侧5个贴片单元的电流幅度比即可。由道尔夫-切比雪夫综合法可得从中心单元到左侧边缘的电流幅度比为I1∶I2∶I3∶I4∶I5=1.0∶0.92∶0.78∶0.59∶0.64,通过式(1)可得最中间贴片单元的宽度为WP,根据电流比便可得出各个贴片单元的宽度比。线阵各单元具体尺寸如图1所示。

1.2 10单元串馈天线加工

在77 GHz的高频段，普通的同轴接头不能满足低损耗和高精度的需求。本文设计的WR-12波导转微带结构及具体参数如图2(a)所示。通过调节中间贴片的宽度和长度使其在想要的频段内达到阻抗匹配，其仿真结果如图2(b)所示，在73.2～78.7 GHz频段范围内其回波损耗均小于-10 dB。

图2 转接结构及反射系数图

本文对10单元串馈线阵进行了加工实测，线阵仿真和加工实物分别如图3和图4所示。

图3 10单元串馈仿真结构

图4 10单元串馈实物

图5(a)中给出了10单元串馈天线S参数仿真和实测对比图，仿真的天线中心频率在76.8 GHz，-10 dB阻抗带宽为1.3 GHz；实测结果显示天线中心频率在75.5 GHz,阻抗带宽为2.5 GHz。图5(b)、(c)中给出了天线在77 GHz的方位面实测与仿真对比,实测方位面3 dB波束宽度为78.5°；俯仰面3 dB波束宽度为10.9°，副瓣电平为-24.5 dB；实测天线俯仰面3 dB波束宽度为10.6°，副瓣电平-20 dB。仿真天线的最大增益为15.7 dB,实测天线最大增益为13.2 dB。由于高频段微带传输线和波导转接头带来的损耗，所以天线实测和仿真增益有2.5 dB的损失。

(a)S参数仿真和实测

(b)H面仿真和实测方向图

(c)E面仿真和实测方向图图5 线阵加工实物仿真实测结果对比

2 双层扇形宽波束设计

2.1 双层扇形天线结构

传统的串馈微带线阵方位面的3 dB波束宽度在60°～80°之间，1.2节10单元微带串馈天线方位面的3 dB波束宽度为78.5°，未能满足角雷达对天线宽波束的要求。本文设计了一款双层结构微带串馈天线，在不影响天线俯仰面波束宽度的情况下可以将方位面的3 dB波束宽度显著提升。该天线结构如图6所示，底层为10单元串馈微带线阵，在该线阵的上方加载寄生帖片，起到展宽方位面波束宽度的作用，其中寄生贴片的宽度为Wr，两层介质板之间的高度为L。

图6 双层扇形宽波束天线结构

2.2 双层宽波束天线设计

在电磁仿真软件中分别对加载介质板和加载寄生贴片的双层天线进行了仿真，并对结果进行对比分析，图7给出了10单元线阵、加载介质板的双层天线和加载寄生贴片的双层天线的S11仿真结果。从图7中可以看出，10单元线阵谐振点在77 GHz，阻抗带宽为76～77.7 GHz；双层寄生贴片天线谐振点在76.8 GHz，阻抗带宽为75.8～77.8 GHz；加载介质板天线的谐振点在76.7 GHz，阻抗带宽为75～77.4 GHz。三款天线阻抗带宽均大于1 GHz且包含77 GHz谐振点，寄生贴片对串馈天线的频点没有产生明显影响。

图7 三款天线S11对比

图8给出了三款天线方向图仿真结果。从图8(a)中可以看出，单独加载寄生贴片的天线方位面相比于10单元线阵天线方位面的主辐射方向的波束宽度变窄，增益为15.6 dB，在±80°左右处辐射有所增强，增益增加了3.2 dB,但增益仅为8.2 dB，无法满足宽波束增益的需求；加载介质板和寄生贴片的天线方位面在边射方向的辐射电场比原串馈微带线阵稍有减小，增益为14.3 dB，但在±(45°～70°)处的辐射大大增强，形成一个良好的宽波束辐射，方位面3 dB波束为142.2°。加载介质板和寄生贴片对天线的俯仰面方向图的影响不大，如图8(b)所示。

(a)H面方向图对比

(b)E面方向图对比图8 E/H面方向图对比

2.3 双层宽波束天线仿真分析

对寄生贴片高度的影响进行仿真，图9给出了不同高度L对天线方位面方向图的影响。当高度为1.8 mm时，天线方位面边射方向上增益为12.6 dB增益,方位面波束宽度为154.2°,但在±(38°～72°)范围内增益小于10 dB,不能满足增益要求；高度为2.8 mm时，天线方位面法向方向上增益为14.0 dB,3 dB波束宽度为142.2°;高度为4.0 mm的方位面方向图最大增益为13.8 dB，方位面3 dB波束宽度为123.8°，副瓣电平为-6.6 dB，不能满足需求。综合增益和波束宽度考虑，寄生贴片取高度为2.8 mm。

(a)方位面波束

(b)俯仰面波束

对双层宽波束天线空间电场分布进行仿真，分布图如图10所示。双层宽波束天线空间场是由串馈微带线阵的电流源和寄生贴片的感应电流共同产生的，感应电流会随着空间变化而变化，对串馈天线产生的影响也不一样，寄生贴片与串馈微带线阵的距离决定感应电流的大小，寄生贴片感应电流的大小随着距离的增大而减小。

(a)侧视截面感应电场分布箭头图

(b)侧视截面感应电场大小示意图

对天线的寄生贴片的宽度Wr也进行了仿真分析，从图11中可以看到,Wr变化对天线阻抗带宽的影响甚小。

图11 寄生贴片宽度对S11的影响

图12给出了寄生贴片不同线宽Wr对天线方位面波束宽度、俯仰面波束宽度的影响，可见当Wr增大，天线的增益变小，方位面3 dB波束宽度越宽，而俯仰面3 dB波束宽度受到的影响较小。当Wr取0.5 mm时，方位面3 dB波束宽度只有110.4°；当Wr取0.65 mm时，方位面3 dB波束宽度为142.2°，在该范围内增益均大于11 dB;当Wr取0.9 mm时候，方位面3 dB波束宽度为170.5°，但在±(20°～65°)范围内出现增益明显下凹。综合考虑天线方位面方向图平坦度、3 dB波束宽度,最后Wr取0.65 mm。图13为天线的三维方向图。

(a)H面仿真对比图

(b)E面仿真对比图图12 顶层寄生贴片宽度对方向图影响

图13 双层天线三维方向图

为展示本文设计天线宽波束效果，表1列举了双层宽波束天线与类似宽波束对比。

表1 与同类型天线对比

2.4 双层天线加工测试

根据上一节得到的天线参数对双层宽波束天线进行加工和测试，加工实物和测试环境如图14所示。

图14 天线实物和测试场景图

图15给出了天线阻抗带宽仿真和实测结果对比，从S11参数可以看出仿真和实测结果较吻合，仿真阻抗带宽为1.5 GHz(76.2～77.7 GHz)，实测阻抗带宽为1.8 GHz(75.8～77.6 GHz)。加工误差和高频段介电常数的不确定导致实测阻抗带宽相较仿真往低频产生了0.4 GHz频率偏移。

图15 仿真/实测S11对比

图16给出了天线方向图加工和实测的对比数据，在中心频率77 GHz处，双层宽波束天线的测试增益为10.6 dB,比10单元串馈线阵的实测增益13.2 dB相比降低了2.7 dB。双层宽波束天线的方位面3 dB波束宽度为134.6°，由于天线制作误差和测试系统带来的抖动，与仿真142.2°相差了7.6°，与单一线阵的78.5°相比，方位面3 dB波束宽度增大了56.1°；俯仰面3 dB波束宽度为11.3°，实测与仿真结果大致吻合。测试结果证明了双层扇形天线在拓展方位面3 dB波束宽度有显著效果。

(a)H面对比

(b)E面对比图16 方向图仿真与实测对比

3 结束语

本文根据77 GHz车载防撞角雷达宽角探测的需求，针对微带串馈阵列天线方位面波束宽度不足的问题设计了一款双层宽波束天线，通过在串馈微带阵列上面加载寄生贴片和介质基板，极大地拓展了天线方位面的波束宽度，满足车载角雷达对方位面宽波束的需求，对车载角雷达研制有一定的参考意义。此外，该天线与其他宽波束天线相比具有更高的剖面。下一步将在保证宽波束的前提下进一步研究如何降低其剖面高度。