77GHz寬帶低副瓣毫米波微帶天線設計

范文穎，侯慶文，陳先中

(1.北京科技大學 自動化學院，北京 100083；2.北京科技大學 工業過程知識自動化教育部重點實驗室，北京 100083；3.北京科技大學 順德研究生院，廣東 528300)

隨著數字化、信息化、智能化技術以及先進裝備制造業的發展，我國的煤炭工業已轉向智能化方向發展。使用礦山機器人是智能化煤炭探測的一種重要手段。然而要實現礦山機器人在巷道中正常運行，需要機器人具備良好的環境感知能力。目前，地下煤礦中常用的感知方式有激光[1]、機器視覺[2]和慣性導航系統[3]等。激光雷達精度較高，但礦井中粉塵較多，這會對其探測精度提出不小的挑戰。雖然基于視覺的探測方式是一個值得關注的領域，但針對于井下環境結構少、照度低的場景，其魯棒性和準確性仍需進一步提高。慣性導航系統雖然精度較高，但價格十分昂貴。相比于上述探測方式，可輕易穿透雪、煙、塵等物質且具備在極端環境下全天候工作能力[4]的毫米波雷達，更適合于礦井環境的應用場景。近些年來，77 GHz毫米波雷達因其具有更高的分辨率和更遠的探測距離而得到了制造商的青睞[5]。而天線作為毫米波雷達的關鍵部件，其性能的優劣至關重要，故而針對毫米波天線尤其是77 GHz毫米波天線，研究者們進行了廣泛研究[6-11]。

東南大學的研究人員[6]針對77 GHz汽車雷達遠程發射機，提出一種基于基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide，SIW)饋電網絡的平面串饋貼片天線。該天線的工作頻率為75.0～78.5 GHz，最大增益達到20.33 dBi，可作為長距離雷達(Long Range Radar，LRR)的候選天線。JIAN等[7]設計了一款用于77 GHz汽車雷達的串饋低副瓣微帶貼片線陣，陣列利用切比雪夫陣列綜合旁瓣電平。仿真結果表明，天線的工作頻率為75.8～77.3 GHz，最大副瓣電平為-22 dB。YU和XU分別提出具有平肩型方向圖的77 GHz毫米波雷達天線，可同時實現中距離和遠距離的場景信息檢測。YU等[8]提出的基片集成波導縫隙陣列天線，采用非線性擬合和漸進空間映射混合優化方法實現平肩型方向圖，峰值增益達到21.7 dBi。XU等[9]提出的切比雪夫陣列天線，采用陣列綜合方法實現平肩型方向圖。該類型天線在檢測中距離和遠距離的場景信息時，避免了兩組天線的切換，降低了系統的復雜度，減小了系統體積。

上述文獻中所提出的77 GHz毫米波天線雖然性能優良，但都存在帶寬不足的問題，無法匹配76～81 GHz毫米波雷達芯片，因此無法達到較高的分辨率，這也源于微帶天線窄帶寬的這一缺點。相比于其他類型天線，微帶天線具有體積小、低剖面、便于單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)集成等優點，這也使得微帶天線成為毫米波雷達系統的首要選擇。然而，高品質因數的諧振特性決定了傳統單層微帶天線的帶寬只有1%～2%[4]，這一缺點限制了它的發展。

常見的展寬帶寬的方式為在貼片或接地板開槽或采取堆疊結構等。在微帶貼片的不同位置開不同形狀的槽，即相當于引入阻抗匹配元件，在接地板的適當位置開槽，則能夠提高微帶天線的阻抗特性及輻射條件。CHEN等[12]提出一種新型寬帶微帶天線，通過采用兩個對稱的垂直矩形槽和設置短路壁激勵靠近基模的四分之一諧振模，將-10 dB阻抗帶寬提高到26.5%。劉凡等[13]提出一種緊湊的微帶線饋電環形縫隙天線，通過在饋電點下方刻蝕圓形凹槽以及在接地平面中心加載L形槽口展寬天線帶寬。測試結果表明，天線的阻抗帶寬達到59%。SUN等[14]提出一種帶混合槽結構的低剖面微帶天線。該天線由4個狹縫分隔成的條帶組成。通過控制條帶和槽的尺寸激發雙模，以增加工作帶寬。實驗結果表明，-10 dB阻抗帶寬達到41%。CAI等[15]提出一種新型寬帶圓極化天線。它由一個三角形單極子和一個刻蝕在地板上的槽組成。采用分支饋電線并聯激勵單極子和縫隙，實現了天線的寬帶圓極化性能，-10 dB阻抗帶寬可達73.0%。根據電路理論可知，當采取參差調諧的緊耦合回路時，頻帶將會得到展寬。根據該原理研究人員提出了具有多層結構的微帶天線。文獻[16-19]提出的微帶天線，通過引入寄生貼片和空氣層分別將-10 dB阻抗帶寬提高約29.6%、21.8%、20.2%和48.8%。

針對77 GHz毫米波天線存在帶寬不足的問題，筆者研究采取多層結構的方法予以改善，提出一種新型的寬帶低副瓣毫米波微帶天線。筆者設計的天線采取雙層介質結構，放置于第1層介質基板上的主饋電單元采取切比雪夫陣列綜合方法，可實現低副瓣特性；位于第2層介質板上的寄生單元則可實現整體天線帶寬的擴展。

1 應用于煤礦環境的微帶天線的性能特點

與地面環境不同，地下煤礦環境極其復雜。地下巷道環境空間受限，多瓦斯和粉塵，這就要傳感器具有良好的穿透能力。同時煤礦地下環境溫度高，濕度大，且電磁環境復雜，良好的抗干擾能力是傳感器不可或缺的性能。毫米波雷達因其更高的分辨率以及對復雜環境的適應能力，在地下煤礦環境應用方面具有得天得厚的優勢。如圖1所示，為了實現環形感知，需在履帶機器人周身安裝多個毫米波雷達。針對不同距離的探測需求，分別設計短距離毫米波微帶天線和長距離毫米波微帶天線。

圖1 天線波束覆蓋示意圖

考慮到地下巷道復雜的電磁環境，應用于履帶機器人的毫米波微帶天線應具備更強的抗干擾能力，這就要求所設計天線的副瓣電平盡可能低。同時，地下巷道中光線暗，濕度大，所設計的毫米波天線的帶寬應盡量寬，以達到較高的分辨率。除此之外，與地面自動駕駛的應用場景相比，地下礦井環境中各運動物體的運動相對緩慢。因此，在地下礦井場景中的探測距離要求較低，這也使得微帶天線的最大增益可相對降低。故針對于地下煤礦環境的特點，相應的毫米波雷達系統的天線應具備強抗干擾能力和高分辨的優良性能。

2 寬帶切比雪夫線陣設計

筆者設計的寬帶低副瓣毫米波微帶天線采取的介質基板為Rogers RO4835 LoPro(相對介電常數εr為3.66，損耗角正切值為0.003 7，介質基板厚度h為4 mil。1 mil≈0.025 4 mm)，并借助HFSS仿真件平臺進行天線設計和分析。

2.1 切比雪夫線陣結構

為了提高雷達系統的抗干擾能力，要求天線的副瓣電平盡量低。而對于一般的均勻直線陣，副瓣電平大概為-13.5 dB，不能滿足車載雷達的應用需求。道爾夫-切比雪夫方法是一種能夠控制副瓣電平的陣列天線綜合方法，其對應陣列稱為切比雪夫陣列。文中所設計天線的主輻射天線采取切比雪夫線陣。線陣通過調節各陣元的寬度控制各陣元的電流激勵幅度來滿足道爾夫-切比雪夫分布，以此來降低副瓣。

切比雪夫第一類多項式為[20]

Tm(x)=cos(mu) ，

(1)

其中，x=cosu。由三角函數恒等式，得到切比雪夫多項式的遞推公式為

Tm+1(x)=2xTm(x)-Tm-1(x) 。

(2)

根據上式，編寫切比雪夫陣列綜合算法，得到各單元貼片電流激勵幅度比值為1.000∶0.812∶0.519∶0.262，并由此來確定各陣元寬度。

切比雪夫線陣的示意圖如圖2(a) 所示。 在HFSS仿真環境中建立切比雪夫線陣模型，并進行仿真優化。圖2(b)、(c)分別為切比雪夫線陣優化后得到的回波損耗曲線及二維方向圖。

根據圖2中的回撥損耗曲線及二維方向圖，可以得到切比雪夫線陣的歸一化最大副瓣電平為-16.4 dB，具有良好的低副瓣特性，但同時-10 dB的阻抗帶寬僅為0.8 GHz(76.7～77.5 GHz)。這是因為切比雪夫陣列綜合的方法通過對電流進行錐削處理雖然降低了副瓣，但同時也會使得天線的帶寬變窄。很顯然，當前的天線不能滿足毫米波雷達的需求。為此文中通過增加空氣層和矩形寄生單元的方法對帶寬進行展寬。

(a) 微帶線陣示意圖

2.2 加入寄生單元的寬帶切比雪夫線陣

微帶天線阻抗頻帶窄的根本原因在于它是一種諧振式天線，其特性猶如一個高Q并聯諧振電路。因此，展寬帶寬的基本途徑就是降低等效諧振電路的Q值，可通過采取增大基板的厚度，降低介電常數等方法實現。筆者引入空氣腔和寄生單元展寬現有切比雪夫線陣帶寬。一方面由于空氣的相對介電常數(εr=1.000 585)低于基板1、2的相對介電常數，這使得天線整體的等效介電常數降低。另一方面，寄生單元的出現可增加新的諧振點，進一步展寬帶寬。

寬帶切比雪夫線陣為雙層結構，其空間結構具體如圖3所示。上下兩層介質基板均采用Rogers RO4835 LoPro，其中切比雪夫線陣位于下層介質基板，作為天線的主輻射體。8個矩形寄生單元位于上層介質板，且每個寄生單元均位于切比雪夫線陣中矩形輻射貼片的正上方。

(a) 側視圖

在HFSS環境中建立寬帶切比雪夫線陣的仿真模型，并觀察其性能參數。加入寄生貼片和空氣層后，天線整體的等效介電常數發生改變，從而使得等效介質波長發生改變，為了得到在期望頻段內良好的輻射性能，因此需要對天線的尺寸重新進行仿真優化。

除輻射貼片的尺寸外，空氣層的高度h1也會對天線的性能產生影響。圖4為不同空氣層高度對應的回波損耗曲線以及二維方向圖。

圖4 空氣層高度對反射系數的影響

如圖可知，h1= 0.20 mm為此時最優的空氣層高度。過小的空氣層高度無法滿足增大帶寬的需求；而過大的空氣層高度，會使介電常數過小，相應的電長度變化過大，容易發生相位偏移的情況。

經過優化后，得到寬帶切比雪夫線陣的回波損耗和二維方向圖如圖5所示，其具體尺寸如表1所示。

表1 寬帶切比雪夫線陣尺寸表

(a) 回波損耗曲線

根據回波損耗曲線，可以得到切比雪夫線陣在76.7～83 GHz頻段內，其反射系數S11<-10 dB，也就是說，此時切比雪夫線陣-10 dB 阻抗帶寬為6.3 GHz。顯然，加入寄生單元后，天線的阻抗帶寬得到了擴展，能夠滿足毫米波雷達高分辨率的需求。

根據二維方向圖可知，天線的最大增益為12.5 dBi，E面半功率波束寬度為24.2°，H面半功率波束寬度為79.6°，歸一化副瓣電平為-18 dB，滿足低副瓣的要求，相比于副瓣電平一般為-13.5 dB的等幅陣列，該天線能夠有效提高雷達的抗干擾能力。

該線陣雖然具有優良的性能，但最大增益較低，無法應用于礦山機器人進行遠離探測，故下文將以該雙層線陣為子陣進行陣列天線的設計。但值得注意的是，該雙層線陣不僅可作為子陣，還可作為毫米波雷達系統的接收天線和短距離發射天線。

3 寬帶低副瓣毫米波微帶天線陣列設計及分析

上節設計的雙層線陣雖然具有寬帶、低副瓣等優良特性，但增益較低，無法滿足遠距離雷達的應用需求。本節將以上節線陣為基礎，采取T形功分器，設計一款適合遠距離雷達的寬帶、低副瓣毫米波陣列天線。

3.1 饋電網絡設計

陣列天線采取1×4 微帶T形功分器為饋電網絡，微帶饋電網絡具有設計簡單、尺寸小和方便加工的優點，但也存在容易發生相位偏移的問題，故需要對微帶功分器的設計進行反復的優化。

微帶T形功分器的結構示意圖如圖6所示。筆者設計的微帶陣列天線左右為對稱結構，因此研究饋電網絡時只需研究左半平面。令左半平面兩邊往中間的兩條線陣的電流分布為I1∶I2=1.00∶0.43。因本設計中主饋線的特性阻抗為100 Ω，故對應各線陣中阻抗變換段的特性阻抗分別為43 Ω、65 Ω，并由此確定各四分之一波長阻抗變換段的寬度。根據計算尺寸在HFSS環境中建立仿真模型。

圖6 微帶T形功分器示意圖

通過仿真優化得到圖7所示的回波損耗曲線和各個端口的電流激勵幅度比。仿真結果顯示，該饋電網絡在75～84 GHz頻段內均有良好的阻抗匹配效果，各端口的電流激勵比基本達到預期值。

(a) 回波損耗曲線

3.2 天線陣列設計及分析

利用上節得到的微帶T形功分器完成天線陣列的設計。天線陣列為雙層結構，寄生貼片位于上層介質基板，切比雪夫陣列位于下層介質基板，如圖8所示。其優化結果如圖9所示。

(a) 上層寄生貼片

(a) 回波損耗曲線

如圖9(a)所示，在76.7～83.6 GHz頻段范圍內，反射系數S11<-10 dB，即該陣列天線的-10 dB阻抗帶寬為7 GHz。圖9(b)為H面方向圖，最大增益為17 dBi，歸一化最大副瓣電平為-24 dB，半功率波束寬度為24.2°。圖9(c)為E面方向圖，由于饋電網絡本身的輻射，E面方向圖的歸一化最大副瓣電平出現略微上升的情況，此時的歸一化最大副瓣電平為-15 dB，半功率波束寬度為24.0°。

表2將筆者提出天線的性能和該論文引用文獻中的天線性能進行了對比。結果表明，該天線具有較高的阻抗帶寬、較低的副瓣電平、較小的尺寸，雖然最大增益相比于其他論文中的天線的最大增益較低，但是滿足礦山機器人環境探測的需求。綜合各參數，該陣列天線具有寬帶、低副瓣等優良性能，能很好地滿足毫米波雷達的需求，在礦山機器人環境探測方面具有良好的應用前景。

表2 筆者文中所提出的寬帶低副瓣天線陣列與其他文獻天線性能對比

4 結束語

筆者提出一種適用于煤礦探測機器人的寬帶、低副瓣毫米波微帶天線。它采用雙層堆疊結構，由主輻射天線、空氣層以及寄生單元構成。主輻射天線采取切比雪夫陣列實現低副瓣特性，空氣層和寄生單元的加入用以展寬天線帶寬。仿真結果表明，所設計天線的工作帶寬為76.7～83.6 GHz，E面和H面最大副瓣電平分別為 -15 dB和-24 dB，峰值增益為17 dBi，能夠有效提高雷達系統分辨率以及抗干擾能力。因此，筆者提出的寬帶低副瓣毫米波微帶天線適配于77 GHz毫米波雷達環境探測系統。