面向毫米波雷達應用的微帶陣列天線仿真與設計

董澤赟，歐陽政，張 哲，李丁輝，耿云杰

（北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044）

1 引言

近年來，隨著5G 網絡的逐步商用，毫米波雷達技術得到迅速發展。與攝像頭、紅外、激光等光學傳感器相比，毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候（大雨天除外）全天時的特點，在車聯網、智能交通等系統中發揮著越來越重要的作用。天線作為雷達系統中不可缺少的一部分，對毫米波雷達的尺寸、成本和性能有著巨大的影響，因此對毫米波雷達天線的研究有著重要意義。現有的毫米波雷達天線主要包括：微帶陣列天線和波導縫隙陣列天線。相較于后者，前者具有加工成本低、設計簡單等優點，是眾多毫米波雷達產品首先選擇的天線形式［1］。常見的微帶陣列天線主要包括貼片陣列天線和梳狀陣列天線兩種。本文面向E 波段（60～90 GHz）毫米波雷達的具體應用，基于貼片陣和梳狀陣兩種陣元結構，根據陣列天線的基礎理論，分別進行1×10 和4×10 微帶陣列天線的仿真和設計，分析對比并總結兩種陣列天線結構的優缺點，為后續毫米波雷達中微帶陣列天線的研究提供技術參考。

2 貼片陣列天線設計

2.1 1×10 貼片陣列天線

所設計天線工作頻率為79～81 GHz，采用R5515作為介質基板，相對介電常數為3，損耗角正切為0.003 5，板材厚度為0.254 mm。

當輻射貼片的諧振頻率為f時，則其寬度為［2］

其中，c為光速，εr是相對介電常數。輻射貼片的長度L通常為

其中εe為有效介電常數，ΔL為等效縫隙長度，且

選定諧振頻率f=80 GHz，并將選定板材數據代入上式，可以計算得到貼片的初始尺寸為W=1.32 mm，L=0.93 mm。

通過改變陣列中每個貼片的寬度，可以控制其激勵的幅度，使單元的功率分布滿足切比雪夫分布以降低副瓣電平［3］。取目標副瓣電平值為-30 dB，求得電流幅度比值為0.257 5∶0.430 0∶0.669 2∶0.878 0∶1.000 0∶1.000 0∶0.878 0∶0.669 2∶0.430 0∶0.257 5。根據電流幅度比值計算出原始貼片寬度，并利用仿真軟件對參數進行優化，得到最終1×10 貼片陣列天線結構如圖1所示，圖中各參數的具體數值如表1所示。

表1 貼片天線尺寸表 單位：mm

圖1 1×10 貼片陣列天線結構圖

1×10 貼片陣列天線的輸入端口的阻抗特性仿真結果如圖2 所示。由圖中可以看出，此天線陣列在中心頻率80 GHz 處的S11幅值約為-14.6 dB，電壓駐波比（VSWR）約為1.5，阻抗帶寬|S11|＜-10 dB、VSWR＜2的范圍分別為：79～81 GHz和78.9～81.2 GHz。

圖2 1×10 貼片陣列天線的阻抗特性仿真結果

1×10 貼片陣列天線在80 GHz 處的輻射方向圖如圖3 所示，天線最大增益約為15.6 dBi，E 面3 dB 波束寬度約為11°，旁瓣電平約為-15.1 dBi，H 面3 dB 波束寬度約為77.5°。

圖3 1×10 微帶貼片天線陣列方向圖

2.2 4×10 貼片陣列天線

在上述1×10貼片陣列天線的基礎上，采用一分四功分器作為饋電網絡進行4×10貼片陣列天線設計，設計方法采用阻抗變換法，主饋線的阻抗為50 Ω，傳輸線的阻抗為100 Ω，經過計算和優化得到功分器的結構圖和各項參數分別如圖4和表2所示［4］。

表2 一分四功分器尺寸表 單位：mm

圖4 一分四功分器結構圖

最終4×10貼片陣列天線結構圖如圖5所示，陣列長度為27.45 mm，寬度為11.4 mm。

圖5 4×10 貼片陣列天線結構圖

對4×10 貼片陣列天線進行仿真，得到輸入端口的阻抗特性仿真結果如圖6 所示。由圖中可以看出，此天線陣列在中心頻率80 GHz 處的S11幅值約為-14.9 dB，VSWR 約為1.4，阻抗帶寬|S11|＜-10 dB、VSWR＜2 的范圍分別為：77.6～81.2 GHz 和77.4～81.4 GHz。

圖6 4×10 貼片陣列天線的阻抗特性仿真結果

4×10 貼片陣列天線在80 GHz 處的輻射方向圖如圖7 所示，天線最大增益約為19.5 dBi，E 面3 dB 波束寬度約為8.5°，旁瓣電平約為-13 dBi；H面3 dB波束寬度約為20°，旁瓣電平約為-12.6 dBi。

圖7 微帶貼片天線陣列方向圖

3 梳狀陣列天線設計

3.1 1×10 梳狀陣列天線

為了更直觀地對比兩種陣元結構，梳狀天線的工作頻率和板材與上述貼片天線保持一致。

已知梳狀單元的等效輻射電導與激勵幅度分布滿足

根據切比雪夫綜合法，取目標副瓣電平值為-25 dB，求得電流幅度比值為0.395 0∶0.505 6∶0.721 4∶0.899 3∶1∶0.899 3∶0.721 4∶0.505 6∶0.395 0。由上式和電流幅度的比值可以計算得到各個陣元所對應的輻射電導為0.028 5∶0.046 6∶0.094 9∶0.147 5∶0.182 4∶0.182 4∶0.147 5∶0.094 9∶0.046 6∶0.028 5。

利用1×10均勻陣列提取輻射單元的諧振參數，先固定單元寬度W，調節單元長度L，使S11虛部為零時，即為諧振長度，此時提取的電導g 為單元歸一化輻射電導。g可通過S參數仿真得到，諧振時歸一化輻射電導為

設置單元寬度的變化范圍0.1～0.5 mm，改變單元寬度，重復上述過程可以得到單元寬度W、單元長度L與輻射電導g之間的對應關系，并對單元長度隨寬度變化數據、輻射電導隨寬度變化數據進行擬合，獲得單元寬度變化范圍內與長度和輻射電導的一一對應關系，從而可以求得天線陣元的長和寬［5］。最終優化后得到梳狀陣列天線的結構圖和參數分別如圖8和表3所示。

表3 1×10 梳狀天線陣列尺寸表 單位：mm

圖8 1×10 梳狀天線陣列結構圖

1×10 梳狀陣列天線的輸入端口的阻抗特性仿真結果如圖9 所示。由圖中可以看出，此天線陣列在中心頻率80 GHz 處的S11幅值約為-28.9 dB，VSWR約為1.1，在掃頻范圍內阻抗帶寬|S11|＜-10 dB、VSWR＜2的范圍分別為：77～81.8 GHz和77～81.9 GHz。

圖9 1×10 梳狀陣列天線的阻抗特性仿真結果

1×10 梳狀陣列天線在80 GHz 處的輻射方向如圖10所示，天線最大增益約為14.5 dBi，E面3 dB波束寬度約為17.5°，旁瓣電平約為-17.8 dBi，H 面3 dB 波束寬度約為62.5°。

圖10 1×10 梳狀天線陣列方向圖

3.2 4×10 梳狀陣列天線

在上述1×10梳狀陣列天線的基礎上，采用同樣的一分四功分器作為饋電網絡進行4×10 梳狀陣列天線設計。最終得到4×10 梳狀陣列天線結構如圖11 所示，天線陣列的長度為20.45 mm，寬度為11.4 mm。

圖11 4×10 梳狀天線陣列結構圖

對4×10貼片陣列天線進行仿真，得到輸入端口的阻抗特性仿真結果如圖12 所示。由圖中可以看出，此天線陣列在中心頻率80 GHz 處的S11幅值約為-14.0 dB，VSWR 約為1.5，在掃頻范圍內阻抗帶寬|S11|＜-10 dB、VSWR＜2 的 范 圍 分 別 為：77～81.3 GHz和77～81.5 GHz。

圖12 4×10 梳狀陣列天線的阻抗特性仿真結果

4×10 梳狀陣列天線在80 GHz 處的輻射方向如圖13所示，天線最大增益約為17.7 dBi，E面3 dB波束寬度約為18.5°，旁瓣電平約為-13 dBi；H 面3 dB 波束寬度約為20.5°，旁瓣電平約為-14.3 dBi。

圖13 梳狀天線陣列方向圖

4 兩種微帶陣列天線性能對比

表4 總結了上述兩種微帶陣列天線的結構尺寸、阻抗特性和輻射特性等性能參數。通過對比可以看到，梳狀陣的尺寸相比于貼片陣約減小了1/4，阻抗帶寬大于貼片陣，且輻射效率高于貼片陣列；但在中心頻率80 GHz 處，貼片陣的最大增益要高于梳狀陣，且E 面3 dB 波束寬度小于梳狀天線，說明貼片天線陣列的方向性要優于梳狀天線陣列。

表4 兩種微帶陣列天線對比表

5 結語

本文提出了兩種80 GHz 微帶天線陣列的設計方法，對比了兩種天線各方面的性能參數，在相同的中心頻率下，梳狀天線的尺寸小，帶寬大，輻射效率高，但增益較低，方向性差，貼片天線雖然帶寬和輻射效率方面要劣于梳狀天線，但其設計簡單，增益高，方向性好。因此，在使用時可以根據性能需求靈活選擇天線的結構。