一種提高車載毫米波雷達天線隔離度的方法

張杰

摘要：本文提出了一種用于連續波雷達中增加收發天線隔離度的方法。通過在收發天線間適當的位置增加一個虛元的方式，簡單有效的提高了收發天線間同頻的隔離度。該方法是基于天線電路模型中接收天線有效匹配時，不但接收空間電磁能量，并且同時在輻射電磁能量的特點，控制虛元二次輻射來自發射天線的電磁波到達接收天線的幅相，使之與由發射天線直接到達接收天線的同頻電磁波達到幅度接近，相位相反從而相互抵消，提高了收發天線間的隔離度。此種方法在天線孔徑尺寸有限的情況下具有明顯的效果，在本文的案例中，收發天線隔離度相對于沒有虛元的情況下提高了9dB。

Abstract： In this paper， a method for increasing the isolation of transceiver antenna in CW radar is presented. By adding a virtual element in the proper position between the transmitting and receiving antennas， the isolation of the same frequency between the transmitting and receiving antennas is improved simply and effectively. This method is based on the antenna circuit model when the receiving antenna matches effectively. It not only receives the space electromagnetic energy， but also radiates the electromagnetic energy. It controls the virtual element secondary radiation from the transmitting antenna to reach the receiving antenna's amplitude and phase， making it close to the same frequency electromagnetic wave from the transmitting antenna to the receiving antenna directly， and cancels each other out in phase. It improves the isolation between antennas. This method has obvious effect when the aperture of antenna is limited. In the case of this paper， the isolation of transmitting and receiving antennas is improved by 9dB compared with that without virtual elements.

關鍵詞：連續波雷達天線;隔離度;虛元

Key words： CW radar antenna;isolation;dummy antenna

中圖分類號：TN958 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0246-03

0 ?引言

當前智能化是電子領域研究的熱點，而在汽車領域的智能駕駛也越來越收到人們的關注。車載領域的各種終端中毫米波雷達以其優越的性能、較高的性價比等優勢獲得車廠廣泛的青睞。車載毫米波雷達是一種短距離高精度雷達，通常采用連續波體制，即在雷達接收同時還在發射，同頻發射電磁波無疑會進入接收通道，影響雷達對目標回波的處理，往往成為制約雷達探測能力的瓶頸。因為收發電磁信號是同頻率，無法通過濾波的方式減緩這種干擾，那么只有在天線中最大程度的提高收發天線間隔離度來提高雷達性能。

車載毫米波雷達一般工作于24～24.25GHz（簡稱24G）以及76～81GHz（簡稱77G），并安裝于車體的各個位置，以實現對于汽車不同區域內目標的感知。

在國際上已提出許多有效去耦和的方法，比如缺陷地結構[2]、耦合諧振網絡[3]、電磁帶隙結構[4]和金屬超材料[5]等。但是如果這些方法應用于車載毫米波雷達天線設計中，會增大天線的尺寸，不滿足雷達小型化的應用需求，并且會帶來設計的復雜度。本文以24GHz車載雷達為應用背景，提出一種在收發天線間增加虛擬陣元的方法，通過虛元的二次輻射與發射天線的直達波反相抵消的方式，簡單有效的提高了收發天線間的隔離度。這種方式相比于無虛元的情況隔離度提高了9dB。

1 ?天線結構的分析與設計

毫米波雷達天線陣的結構如圖1所示。天線形式為微帶貼片天線，此種形式的天線具有低成本、易加工、重量輕、批量一致性好、易于與射頻芯片集成等等諸多優勢。本文使用的天線在俯仰面采用中心饋電的六元中心饋電微帶陣列，用兩列做為發射，獨立的兩列做為接收，在接收和發射天線間加入一列與接收天線相同的單列做為虛擬陣元，優化其相對的位置，以獲得收發天線間隔離度最優化。

整個陣面印制在厚度為0.254mm的Rogers4350B介質板上，介電常數為3.66，損耗角正切為0.004。天線介質板尺寸L×W（mm）=60×40，接收二天線Rx1和Rx2間距為半個波長，以實現天線前半空域[-90°，90°]無模糊測角。

接收天線二次輻射原理是：當接收天線的輻射電阻Rr與負載電阻RL匹配（RL=Rr）時（電路圖見圖2），與注入負載的功率相等的功率將被天線再輻射出去。這是最大功率轉移的條件（假設天線無損耗）。除了再輻射功率之外，天線還散射尚未進入天線負載電路的功率[1]。

2 ?仿真結果與分析

本文采用商用仿真軟件HFSS對天線進行仿真分析。圖3至圖7分別仿真了收發天線間無虛元，虛元距離接收天線2（圖1中Rx2）分別是6mm、7mm、8mm和9mm時發射天線與兩個接收天線間的隔離度，從仿真結果看，距離從6mm到9mm變化過程中，最小隔離度分別為43dB、45dB、35dB和42dB。可見相對于無虛元時的隔離度36dB都有了明顯的改善。這種設計中虛元采用與接收天線一樣的形式和尺寸，這樣既與收發天線都工作在同一頻段，能夠很好的實現接收發射電磁波并做二次輻射，并且避免重新設計優化，降低了工作量。虛擬天線的饋電端口匹配狀態，實際工作時用50歐姆電阻接地。

3 ?結論

本文提出了一種通過在接收發和發射天線之間的適當位置增加一個虛擬陣元的方式來提高收發天線之間的隔離度的方法。虛擬陣元通過接收來自發射天線來的電磁波并二次輻射出去，使得在接收天線處，來自發射天線的直達波和來自虛擬陣元二次輻射的電磁波反相疊加，相互抵消，從而實現提高收發天線之間隔離度的目的。通過仿真優化接收天線的位置，實現在24GHz雷達工作頻帶內（24～24.25GHz），收發天線隔離度較無虛擬天線時增加了9dB。

參考文獻：

[1]John D.Kraus and Ronald J.Marhefka. Antenna：For All Applications，Third Edition.電子工業出版社，2017.

[2]C. Y. Chiu， C. H. Cheng， R. D. Murch， and C. R. Rowell. Reduction of mutual coupling between closely-packed antenna element[J]. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 55， no. 6， pp. 1732-1738， Jun. 2007.

[3]L. Zhao， L. K. Yeung， and K.-L. Wu. A coupled resonator decoupling network for two-element compact antenna arrays in mobile terminals[J]. IEEE Trans. Antennas Propag.， vol. 62， no. 5， pp. 2767-2776， May 2014.

[4]F. Yang and Y. R. Samii. Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap EBG structures： A low mutual coupling design for array applications[J]. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 51， no. 10， pp. 2936-2946， Oct. 2003.

[5]Vasanelli C ， Bogelsack F ， Waldschmidt C . Reducing the Radar Cross-Section of Microstrip Arrays Using AMC Structures for the Vehicle Integration of Automotive Radars[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2018， PP（99）：1-1.