一種24GHz雷達水位計微帶天線陣列設計

中圖分類號：TN822 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0030-05

Abstract：Withthedevelopmentneedsofdiversifiedwaterresourcesandenvironmentalperceptionssuchassmartwater conservancyandsmart water，therequirementsformonitoringfactorssuchaswaterlevelsandflowratesinriversandpipelines arebecomingincreasinglyhigh.Howtoincreaseantennagainandreducesidelobeisthemaindesigngoaltoimprovethe rangingrangeand measurementaccuracyof radar water level gauge.Inthispaper，a24 GHzradar water level gauge 4×4 microstripantennaarrayisdesignedbyusingthetransmisionlinetheoreticalmodelresearchmethod，andaninnovativeideaof anidealpowerspliterbasedontheexcitationportisproposed，whichprovidesanobjectiveandaccuratecomparisonreference objectfor the performance evaluation of actual power spliter. The 4×4 arrayantenna obtained through theoretical research， design，simulationandoptimizationachieveshighgain.Theantennagainis19.O3dBiand thebeam widthis19.61 ° x19.97°. It canmeettherequirementsoftheradarwaterlevelgaugesystemundergraduallychangingflowandrapidlychangingflow conditions. It has good application prospects.

Keywords： radar water level gauge; microstrip antenna; ideal power spliter; antenna array; HFSS simulation

雷達水位計具有遠距離探測、受氣候影響小、可全天候工作等優點，廣泛應用于河流水位、灌區明渠水位、水庫水位自動監測系統。常用的雷達水位計工作頻率有 24.60.77GHz 等。在測距測速雷達系統中，24GHz 雷達系統應用仍然占有較大比例，主要原因在于 24GHz 頻段為ISM頻段， 24GHz 射頻MMIC相較于 60GHz 及以上雷達有著成本上的優勢，其次電路復雜度低。影響 24GHz 雷達水位計測距范圍、測距精度的外部硬件因素有雷達天線的增益、波束寬度等參數，而天線增益提高使得回波信號更為穩定，因此水位測量精度也能夠得到提高?？赏ㄟ^增加天線個數形成陣列天線進而提高總增益。本文從矩形微帶陣列天線展開理論研究與設計，同時對陣列天線尺寸、功分器尺寸作出仿真優化處理，使設計仿真出來的微帶陣列天線增益與回波損耗得到改善。

天線的輻射性能取決于在指定頻段范圍內天線與饋電網絡是否實現了阻抗匹配。本文設計了一種 24GHz 雷達水位計 4×4 微帶陣列天線，按照 24GHz 工作頻率設計出切比雪夫理想功分器、實際功分器。為了驗證饋電網絡的設計性能，即功率分配器性能。通過使用設置端口激勵源的方式組成理想功分器，并與實際功分器作仿真性能對比。最后進行了仿真與優化處理。

1微帶天線工作原理

1.1微帶天線特征

在通信系統中，微帶天線具有體積小、重量輕、制造工藝簡單和易于共形等優點1]。Deschamps和Sichak于1953年首次提出微帶天線的概念，1955年Gutton與Boissinot 申報了第一項微帶天線專利。但Deschamps和Gutton等人只提出了一種由微帶饋電的天線，并沒有具體給出微帶天線的結構特征及輻射機理。今天廣為人知的微帶天線微帶結構則是1970年由Byron發表的，而1972年Munson發表的論文奠定了微帶天線的輻射理論基礎。

微帶天線可由上下兩面的金屬線與接地板構成，本文陣列天線的設計是基于PCB印刷電路板制造工藝，具有制作工藝成熟、加工周期短、成本低廉等優點。傳統天線設計方式為人工手工計算天線尺寸大小，進而在生產天線實物后通過使用專門的測量儀器評估其性能。隨著計算機仿真技術的發展，如今可使用AnsysHFSS、CSTStudio等仿真軟件完成天線的設計、性能優化工作，能夠模擬真實場景下的復雜系統和流程，降低了生產、測試成本和風險。

1.2微帶天線輻射機理

微帶天線對外輻射信號是一種高頻電磁泄漏現象，輻射效率和天線尺寸有著直接關系。理論表明，當信號的波長與微帶天線尺寸相比擬時輻射作用最強。天線性能的優劣對移動通信系統的總體性能起著決定性的作用，一副高性能的天線能放寬系統的要求而且改進整個系統的性能2。天線單元的輻射特性直接影響陣列天線的性能，是陣列天線設計的“地基\"。饋電網絡是微帶天線的重要組成部分，同時饋電網絡設計對天線的一些關鍵性能造成影響。

根據傳輸線模型理論分析，天線寬度 W 可通過公式（1）計算

式中： W 為矩形微帶天線寬度； c 為光速； ε_r 為介電常數 _5f 為天線諧振頻率。

矩形微帶天線的工作主模式為TM10模，因此電場變化只存在于天線長度兩側方向上，實際上天線受長度兩側方向上的邊緣效應影響，天線長度應為理論計算值減去2倍等效輻射縫隙值。

式中： L 為矩形微帶天線長度； ε_e 為等效介電常數； Δl為等效輻射縫隙。

等效介電常數 ε_e 計算

等效輻射縫隙 計算

式中： h 為介質基板厚度。

由于陣列天線有著較高的工作頻率，因此需要選取專用的高頻介質基板。這里選用的介質基板材料為Rogers RT/duroid 5880，具有低介電常數、低損耗、耐抗性等特點。經計算， 24GHz 微帶天線尺寸W=4.94mm，L=3.89mm_?

2微帶天線陣列模型設計

2.1單陣子微帶天線

首先需要進行單陣子微帶天線設計，將單陣子天線激勵端口輸入阻抗設為 100Ω ，以減小饋電線尺寸大小。饋電線與天線之間的連接方式有邊沿饋電（EdgeFeed）、嵌入饋電（InsertFeed）;邊沿饋電的優點是方便在天線邊沿處進行阻抗匹配，但容易產生高輸入阻抗。嵌入饋電優點是可以控制阻抗縮放比，本文單天線陣子設計饋電方式選為嵌入饋電。

如圖1所示，嵌入饋電天線嵌入深度為 s ，天線長度為 L ，天線寬度為 W 。嵌入饋電中電流服從正弦分布，因此饋電線從天線邊沿中心處向內移動一定距離將使電流變化 cos（πS/L） ，在嵌入點處的電壓相對邊沿饋電點處減少了與電流增加的量。根據 Z=V/I 定律計算得出嵌入點阻抗 Z_in

Z_in=cos²（πS/L）Z₀

式中： Z_in 為嵌入點阻抗； Z₀ 為邊沿饋電點阻抗。

當 S=L/4 時， cos²（πS/L） 等于1/2，相當于一個1/8信號波長的嵌入天線將使輸入阻抗 Z₀ 降低 50% ，實現了對天線輸人阻抗的縮放調整。

對于單陣子天線設計，其基本組成結構為表層微帶天線、中層介質基板、底層接地板。對整個微帶天線進行空間三維電磁性能仿真，則需要加入一個空氣腔以觀測天線系統的遠場輻射性能，腔體到天線的距離不小于信號在自由空間的四分之一波長。如圖2所示，其為Ansys HFSS的單陣子微帶天線模型。

如圖3所示，阻抗匹配前天線輸入阻抗約為86.27Ω ，未與 100Ω 實現良好阻抗匹配。

衡量方向性天線性能指標之一為 -3dB 波束寬度，在天線輸人阻抗匹配情況下，波束寬度越窄則天線增益越高，因而天線信號作用距離越遠，抗干擾能力越強。如圖4所示，單陣子天線 E 面波束寬度為78.89^°，H 面波束寬度為 75.92^° 。由于在 E，H 面上波束寬度過大，因此天線增益偏低，只有 7.62dBi 。

2.2 4×4 微帶天線面陣

微帶陣列天線就是將一定數量相同的微帶天線，按照一定方式進行排列組合，構成一個新的天線系統。在單陣子天線設計過程中，激勵端的輸入端阻抗為 100Ω 而在面陣天線中需要將總激勵端口輸入阻抗設計為50Ω ，以符合外接通用器件的阻抗匹配需求。面陣天線支路饋電方式為并聯饋電，采用切比雪夫法進行功分器設計。

2.3 饋電網絡設計

對于微帶陣列天線的饋電網絡設計，可以使用切比雪夫法進行分析與計算。通過調整陣列元件前面的1/4波長阻抗變換段來進行功率分配，使各陣列單元的激勵幅值服從切比雪夫分布。切比雪夫功分器的特點是所有副瓣電平相等，通過盡可能降低副瓣電平的方式，這能夠進一步縮窄主瓣寬度；但當線陣單元超過13時該方法將失效，因此切比雪夫功分器不適用于大型陣列天線饋電。切比雪夫功分器通過以下二階齊次微分方程計算，得到激勵端口電流分布比

2.3.1切比雪夫理想功分器設計

理想功分器（圖5）是指天線陣子饋電處并沒有連接實際功分器，而是通過激勵端口按照一定切比雪夫激勵分布比進行饋電。通過使用理想功分器與實際功分器進行仿真結果對比，從而對實際功分器性能做出評估。

設陣列天線大小為 4×4 ，微帶天線方向圖中主旁瓣比為20。通過切比雪夫功分器方程 T_m（x） 計算，得到天線陣子單元的激勵分布比為 0.3319：1：1：1：0.3319 。

采用理想功分器的陣列天線 S₁₁ （回波損耗）為-40.26dB ，回波損耗相比單陣子天線提升了近 7dB ，說明此時天線輸人阻抗匹配效果得到進一步提高。

低旁瓣電平是天線的一個重要特性，它可以提高天線的抗干擾能力。更有效的饋電模式造成更高的錐形效率，從而導致更窄的波束寬度和更高的旁瓣電平。如圖6（a）所示，陣列天線增益為 19.13dBi，E 面波束寬度為 21.14^°，H 面波束寬度為 21.03^°，E，H 面旁瓣電平FSLL為 -26.72dB 。從圖6（b）Smith圓圖中，采用理想功分器的天線歸一化輸入阻抗為 1.02Ω ，接近 1Ω

2.3.2 切比雪夫功分器設計

切比雪夫實際功分器如圖7所示，原點坐標處為標準 50Ω 同軸饋電點。相移是由于相位擾動和頻率相關的長線效應，導致波束隨頻率變化而發生偏斜。根據切比雪夫功分比嚴格進行饋電網絡設計，面陣中每個陣子天線將獲得一定比例的激勵并保持相位一致。

如圖7所示，深色部分為支路切比雪夫功分器。

如圖8所示，在截面增益圖8（a）陣列天線增益為

18.73dBi，E 面波束寬度為 19.77^°，H 面波束寬度為19.91^° 。在圖8（b）計算天線歸一化輸入阻抗為0.76Ω ，與標準歸一化阻抗偏差了 0.24Ω 。

2.4 仿真結果對比

采用遺傳算子對 4×4 微帶陣列天線作最佳優化處理，目標函數為SParameter中的 S₁₁ 參數，優化迭代次數為200次，最優仿真結果見表1。

本文提及的陣列天線與其他文獻所列天線參數進行對比，見表2。

3結論

本文對 24GHz 雷達水位計微帶天線陣列進行了研究與設計，仿真結果與理論計算的功分器參數有一定異。主要原因是天線尺寸計算存在精度誤差、阻抗未完全匹配等，造成分配到每個天線陣子的功率不完全一致。總體上實際功分器與理想功分器性能相當，說明該實際功分器設計是可行的。最終仿真設計的 24GHz 雷達水位計天線陣列增益達 19.03dBi ，波束寬度 19.61^°×19.97^°"，同時與文獻[9]、文獻[10]、文獻[11]所列出 24GHz 陣列天線作了性能對比，得出在相同設計參數情況下本文所設計的陣列天線在增益、波束寬度等性能中處于略優狀態。另外，駐波比VSWR在頻段[23.51，24.49]GHz內低于1.5，滿足天線駐波比最低設計指標要求。

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