24 GHz 雷達(dá)水位計(jì)天線的設(shè)計(jì)與研究

楊天擇，單志勇,2

（1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.教育部數(shù)字化紡織研究中心，上海 201620）

0 引言

新的通信系統(tǒng)（如雷達(dá)水位計(jì)）需要小型的、輕型的、高頻的設(shè)備，因?yàn)樗鼈兊墓歉墒俏锫?lián)網(wǎng)（IoT），要作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接微小物體[1]。天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)中發(fā)射和接收電磁波的部件，實(shí)現(xiàn)電能與電磁波能量相互轉(zhuǎn)換的功能，是無(wú)線通信系統(tǒng)前端至關(guān)重要的部件[2]。所以，天線的設(shè)計(jì)也要滿足新的通信系統(tǒng)所提出的小型化、輕型化、高帶寬、高增益等要求。微帶天線有著體積小、重量輕、易集成等特點(diǎn)，符合當(dāng)代通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的雷達(dá)水位計(jì)天線工作地點(diǎn)為室外，為了使其能較好地完成水位測(cè)量工作，應(yīng)該保證所設(shè)計(jì)的天線有著抗干擾能力強(qiáng)、輻射強(qiáng)度大、成本低廉、易安裝易使用等優(yōu)點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足寬頻帶、高增益、半功率波束寬度小、電壓駐波比小等要求。

對(duì)于微帶陣列天線而言，均勻分布的陣列天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增益較高的優(yōu)點(diǎn)[3]，比較適合雷達(dá)水位計(jì)的設(shè)計(jì)。不過(guò)，微帶天線也存在著增益較低、帶寬較窄的缺點(diǎn)[4]。將多個(gè)輻射貼片按照一定的規(guī)律進(jìn)行排列就形成了陣列天線，相比于普通微帶天線，陣列天線的增益明顯提高，方向性也更加集中，可有效解決普通微帶天線增益不足的問(wèn)題。但陣列天線并不能有效改善微帶天線的帶寬，研究表明，增加帶寬會(huì)導(dǎo)致尺寸增加[5]，所以，在保證輕型化、小型化的前提下提高天線的帶寬是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在所有微帶天線中，矩形微帶貼片天線有著最成熟的理論，設(shè)計(jì)方法也簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，因此，選用矩形貼片作為微帶陣列天線的輻射貼片。本文所設(shè)計(jì)的天線由三層介質(zhì)組成，通過(guò)對(duì)三層介質(zhì)的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了三層介質(zhì)的最佳厚度：從上至下介質(zhì)厚度分別為0.254 mm、1.524 mm和0.508 mm，所以天線整體厚度僅為2.286 mm，有利于實(shí)現(xiàn)較寬的天線帶寬。饋線寬度同樣很大程度決定著天線的帶寬：饋線太窄，不易加工；饋線太寬，饋線與天線單元間耦合增大，從而影響陣列天線的輻射性能[6]。針對(duì)陣列天線半功率角易偏大的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用對(duì)稱式的單工雙端口饋電的方式以及陣元寬度之間特定的寬度比來(lái)增強(qiáng)陣列天線的方向性。結(jié)合微帶天線和陣列天線的特點(diǎn)，對(duì)所設(shè)計(jì)的微帶陣列天線作如下性能指標(biāo)要求：-10 dB帶寬1 GHz以上，最大增益6 dB 以上，半功率角小于14°，帶寬內(nèi)的電壓駐波比小于3。

1 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

輻射貼片采用理論最為成熟的矩形貼片，一般來(lái)說(shuō)，矩形貼片的長(zhǎng)取為電磁波在介質(zhì)中的二分之一個(gè)等效波長(zhǎng)，各貼片寬度從左至右依次為W 1、W 2、W 3、W 4。W 4 ∶W 3 ∶W 2 ∶W 1 滿 足1∶0.95∶0.87∶0.75。貼片之間的寬度之比等于各陣元激勵(lì)電流之比，滿足道爾夫-切比雪夫分布，這種分布可有效增強(qiáng)天線的方向性并提高天線的抗干擾能力[7-11]。天線的介質(zhì)板為三層不同介質(zhì)的介質(zhì)板疊加而成：最上層為“Taconic RF-35 (tm)”，介電常數(shù)為3.5；中間層為“Taconic RF-60 (tm)”，介電常數(shù)為6.15；最下層為“TLX-8”，介電常數(shù)為2.65。三層介質(zhì)板的長(zhǎng)均為L(zhǎng)=47.7 mm，寬均為W=48.69 mm。當(dāng)陣元數(shù)目較多時(shí)，并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的陣列尺寸較大，造成天線饋線網(wǎng)絡(luò)布局復(fù)雜，饋線損耗增大，而串聯(lián)饋電又容易造成陣元相位偏移[4]。通過(guò)對(duì)幾種饋電網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行分析，結(jié)合24 GHz 陣列天線陣元數(shù)較多的特點(diǎn)，選擇采用串并聯(lián)饋電的方式[5]。由微帶天線和串聯(lián)饋電的理論可知，線陣中每個(gè)輻射單元的長(zhǎng)度都為二分之一個(gè)等效波長(zhǎng)，要保證各陣元激勵(lì)電流的相位和幅度相同，則各陣元間的饋線的長(zhǎng)度也應(yīng)該為二分之一個(gè)等效波長(zhǎng)[6]。本文所設(shè)計(jì)的微帶陣列天線共有2×7×8 個(gè)陣元，兩個(gè)端口呈對(duì)稱式分布，都可發(fā)射和接收信號(hào)。天線的單元圖及正視圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 矩形貼片

圖2 微帶陣列天線正視圖

2 仿真結(jié)果分析

本次設(shè)計(jì)的模型構(gòu)建、參數(shù)優(yōu)化都是在高頻仿真軟件HFSS 上完成的，優(yōu)化完成后又利用HFSS 對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真，并記錄下結(jié)果。仿真結(jié)果顯示：所設(shè)計(jì)的天線最大增益達(dá)到了8.38 dB，達(dá)到了6 dB 的指標(biāo)，3D 方向圖如圖3 所示；增益在-10 dB以下的帶寬為1.2 GHz（24 GHz～25.2 GHz），達(dá)到了1 GHz 的指標(biāo)；在工作頻率24.4 GHz 處的回波損耗為-19.5 dB，回波損耗圖如圖4 所示；半功率角為12°左右，達(dá)到了小于14°的指標(biāo)，E 面方向圖如圖5所示；帶寬內(nèi)的電壓駐波比小于3，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，電壓駐波比如圖6 所示。所測(cè)得的天線結(jié)果符合雷達(dá)水位計(jì)的性能需求。

圖3 陣列天線的3D 方向圖

圖4 陣列天線的回波損耗圖

圖5 陣列天線的E 面方向圖

圖6 陣列天線的電壓駐波比

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的24 GHz雷達(dá)水位計(jì)微帶陣列天線，并采用對(duì)稱式雙端口饋電的方式對(duì)天線進(jìn)行饋電。針對(duì)傳統(tǒng)微帶陣列天線帶寬窄、半功率角偏大等問(wèn)題，對(duì)這些天線性能參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示，天線的增益達(dá)到了8.38 dB，增益在-10 dB 以下的帶寬為1.2 GHz（24 GHz～25.2 GHz），在工作頻率24.4 GHz處的回波損耗為-19.5 dB，半功率角為12°左右。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的雷達(dá)水位計(jì)微帶陣列天線達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，將其投入到農(nóng)田灌溉、生產(chǎn)養(yǎng)殖中，可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)便利。