一種用于交通測速的毫米波天線陣的設計

林 鑫，邵曉龍，黃 一，胡俊毅，李麗嫻

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

一種用于交通測速的毫米波天線陣的設計

林 鑫，邵曉龍，黃 一，胡俊毅，李麗嫻

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

基于交通測速雷達高精度、輕型化和小型化等要求，給出了以一種可用于交通測速的毫米波天線陣的設計。天線陣采用串并混合饋電方式，對天線單元以及饋電網絡進行獨立設計，對天線陣進行一體化設計和加工驗證。天線陣采用串、并聯方式進行饋電，從而實現天線單元幅度的泰勒分布，使得天線陣在24～24.25 GHz的工作頻段內，在E面和H面均獲得小于-20 dB的低副瓣性能。整部天線陣具有輕型化、低副瓣和高增益等特點，滿足作為交通測速雷達的需求。

串并混合饋電；泰勒分布；低副瓣；毫米波

0 引言

隨著交通安全形勢日益嚴峻，智能交通系統被越來越多地應用[1]。交通測速雷達以其測速精度高、設備輕便、成本適中、安裝維護方便和全天候等優點已成為目前技術發展的趨勢。天線陣作為毫米波測速雷達的重要組成部分，也是構成系統成本的一個重要組成部分。

實用的毫米波天線通常可分為2類：① 以傳統天線為基礎的高增益定向天線，如反射面天線、喇叭天線等；② 新型的毫米波天線，如表面波天線、微帶天線等[2]。拋物面天線或喇叭口天線體積較大，重量較重，越來越無法滿足交通測速雷達小型化、輕型化等要求。因此，微帶天線具有重量輕、易集成、可批量化生產以及價格低等眾多優點使其成為理想的天線形式。

本文提出了一種用于交通測速的毫米波雷達天線陣的設計，其具有輕型化、高增益和低副瓣等優點，是一種較為理想的測速雷達天線方式。

1 總體設計思路

毫米波天線陣可以分解為天線單元與饋電網絡2個部分。根據文獻[3-4]所述，微帶矩形貼片單元具有結構簡單、易加工和便于集成等優點，因此天線陣中的天線單元采用矩形貼片單元形式；根據天線原理，可以知道面陣的方向圖由橫向(水平方向)線陣和縱向(垂直方向)線陣的方向性決定[5]。因此饋電網絡可以分為行饋和列饋2個部分，行饋和列饋各個端口功率按照泰勒分布進行設計，以滿足低副瓣要求。通過對行饋和列饋的獨立設計，從而實現天線陣H面與E面方向圖的副瓣均小于-20 dB的要求。

2 關鍵技術

2.1 天線單元設計

天線單元采用矩形貼片單元形式，如圖1所示。

圖1 矩形貼片單元示意

天線單元采用微帶線饋電。天線選用材料為TLX-6，其介電常數εr=2.55，板厚h=0.5 mm。為了與饋電網絡匹配，饋線的寬度t=0.2 mm，其特性阻抗為120 Ω。

對于介質基片厚度為h，諧振頻率為f0，且要求矩形天線單元輻射效率較高的條件下，其a，b和l應滿足如下公式[6]：

在此基礎上，采用HFSS對槽寬w進行優化，得w=0.5 mm。優化后的天線駐波比如圖2所示。

圖2 矩形貼片單元駐波比曲線

2.2 饋電網絡設計

在饋電網絡的設計中，天線陣列使用串并混合饋電方式進行饋電。根據天線原理，可以知道面陣的方向圖由行饋(水平方向)線陣和列饋(垂直方向)線陣的方向性決定，因此，饋電網絡采用行饋網絡和列饋網絡的獨立設計。

為了使天線單元都是同相饋電，波束指向邊射方向，天線單元行列間距均為微帶線中傳輸的一個波長λg[7]。

λg應滿足如下公式[8]：

式中，h為介質板厚度；W為饋線寬度，取W=1 mm；λg約為8.7 mm，即天線單元行列間距均為8.7 mm。

2.2.1 行饋設計

根據工程要求，天線陣面可利用尺寸為200 mm×150 mm，因此行饋中的單元個數為：200/8.7≈22。

在工程設計中，一般采用泰勒綜合法實現天線低副瓣特性[9]。為了使行饋線陣方向圖副瓣電平小于-20 dB，考慮到實際工程誤差，理論上按照副瓣-22 dB進行設計。根據線陣各單元泰勒分布公式，可以獲得22個單元輸入泰勒分布值，其值如表1所示。

表1 行饋網絡歸一化電流

行饋網絡由2個串饋電路再并饋而成，其拓撲結構如圖3所示。

圖3 行饋網絡拓撲

根據表1，采用1/4阻抗變換技術[10]，使用HFSS軟件，對行饋網絡進行設計。行饋是左右對稱網絡，行饋網絡1～11端口的幅相分布如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，行饋在工作頻帶內，幅度起伏小于1 dB，各個端口幅度滿足泰勒分布；由圖5可以看出，行饋在中心頻點24.125 GHz處，歸一化相位差小于10°，由于行饋是采用串饋方式，因此，在高頻與低頻處，歸一化相位呈準等差分布。

圖4 行饋網絡各端口插損幅度分布

圖5 行饋網絡各端口歸一化相位分布

2.2.2 列饋設計

列饋網絡同樣采用泰勒綜合法實現天線低副瓣特性。饋中的單元個數為：150/8.7≈16。其歸一化泰勒分布值如表2所示。

表2 列饋網絡歸一化電流

列饋網絡同樣由2個串饋電路再并饋而成，其拓撲結構如圖6所示。

圖6 列饋網絡拓撲

根據表2，采用1/4阻抗變換技術，使用HFSS軟件，對列饋網絡進行設計。圖6中列饋網絡共有32出口，其是上下左右對稱網絡，列饋網絡中1～8端口的幅相分布如圖7和圖8所示。由圖7可以看出，列饋在工作頻帶內，幅度起伏小于0.5 dB，各個端口幅度滿足泰勒分布；如圖8所示，列饋在中心頻點24.125 GHz處，歸一化相位差小于5°，由于列饋同樣是采用串饋方式，因此，在高頻與低頻處，歸一化相位也呈準等差分布。

圖7 列饋網絡各端口插損幅度分布

圖8 列饋網絡各端口歸一化相位分布

3 天線陣面實現以及應用分析

天線陣實物全圖以及局部放大圖如圖9所示。

圖9 天線陣面實物

天線陣面行饋上連接矩形貼片單元，列饋上連接行饋。為了使天線單元對于中間列饋的互耦影響一致，天線陣面上下2部分呈對稱結構，從而導致上下2部分天線單元相差180°，因此，如圖9(b)所示，為了使天線單元輻射的電流保持同相，在饋電點到上下陣面引入半波長電長度差，即

a2-a1=λg/2=4.35 mm。

天線陣面實測駐波如圖10所示。天線陣面在24～24.25 GHz的工作帶寬內，其駐波均小于1.5，匹配良好。

圖10 天線陣面駐波

天線陣面低、中和高3個頻點H面和E面方向圖如圖11所示。天線陣面測試各個參數指標如表3所示。天線陣面H面和E面副瓣均小于-20 dB，天線增益大于27 dB，其具有高增益、低副瓣等優點。

圖11 天線陣面方向圖

頻率/GHz增益/dBH面E面3dB波寬/(°)副瓣/dB3dB波寬/(°)副瓣/dB2427．64．28-24．36．42-25．524．12527．74．19-22．76．50-24．024．2527．54．04-22．56．66-22．5

4 結束語

本文詳細介紹了一種毫米波交通測速雷達天線陣的設計。天線陣的單元采用矩形貼片單元形式，饋線網絡采用串并混合饋電網絡。在24～24.25 GHz的工作帶寬內，天線陣駐波小于1.5，匹配良好；其H面和E面副瓣均小于-20 dB，天線增益均大于27 dB，具有高增益、窄波束和低副瓣等優點，很好地滿足了作為交通測速雷達的使用要求，目前，該天線陣已經在某型交通測速雷達中得到應用。

[1] 趙仲郎.交通測速雷達系統設計與實現[D].南京：南京理工大學，2012.

[2] 林昌祿.天線工程手冊[M].北京：電子工業出版社，2002：1 064.

[3] JAMESJ R,HALL P S.Handbook of Microstrip Antennas (Vol.I) [M].London:Peter Peregrinis,1989:815-816.

[4] 鐘順時.天線理論與技術[M].西安：電子科技大學出版社，2011：261-262.

[5] MILLIGAN T A.Modern Antenna Design (Second Edition) [M].New York:Wiley Publishing,2012:88-89.

[6] 阮志彬，趙建軍，劉景順.矩形微帶天線的設計及分析[J].無線電工程，2000，30(1)：38-40.

[7] STUTZMANW L,THIELE G A.Antenna Theory and Design[M].New York:Wiley Publishing,1998:88-90

[8] 廖承恩．微微波技術基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002：113-115.

[9] 李麗嫻，胡俊毅，王建中．一種新型C波段輕型低副瓣線陣天線[J]．無線電工程，2014，44(10)：55-58．

[10] POZARD M.Microwave Engineering (Third Edition) [M].New York:Wiley Publishing,2006:62-63.

林 鑫 男，(1983—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：天饋線的設計。

邵曉龍 男，(1988—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設計。

Design of a Millimeter-wave Array for Traffic Speed-measuring

LIN Xin,SHAO Xiao-long,HUANG Yi,HU Jun-yi,LI Li-xian

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109，China)

Under the necessity of high accuracy,low weight and small scale in traffic speed-measuring radar,the design of a millimeter-wave array for traffic speed-measuring is proposed in the paper.The array is fed with serial and parallel mode.Firstly,the antenna element and the network are designed and optimized separately.Then the array is designed and fabricated with integrative way.The Taylor distribution of elements amplitude is achieved by design of serial and parallel feed mode.The millimeter-wave array achieves low side lobe level of -20 dB in both E-plane and H-plane in Ka frequency range (24～24.25 GHz).This millimeter-wave array provides low weight,low side lobe level and high antenna gain,which is already applied in a traffic speed-measuring radar system.

series and parallel feed mode;Taylor distribution;low_side lobe;millimeter-wave

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.17

林 鑫,邵曉龍,黃 一,等.一種用于交通測速的毫米波天線陣的設計[J].無線電工程,2017,47(5):71-74.[LIN Xin,SHAO Xiaolong,HUANG Yi,et al.Design of a Millimeter-wave Array for Traffic Speed-measuring[J].Radio Engineering,2017,47(5):71-74.]

2017-02-22

上海航天技術研究院核攀基金資助項目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2017)05-0071-04