摘  要： 設(shè)計(jì)了一款用于毫米波汽車防撞雷達(dá)的高增益低旁瓣微帶天線陣。為達(dá)到抑制旁瓣的目的，該天線陣采用凱澤貝塞爾函數(shù)進(jìn)行幅值加權(quán)技術(shù)，相比于均勻平面陣，所設(shè)計(jì)天線陣有效地抑制了旁瓣電平（降低了5 dB）并保持了較高的天線增益。對(duì)天線陣進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并制作了一個(gè)4×8元陣的天線原型，該陣列中心頻率為24.125 GHz，增益為20.6 dBi，旁瓣電平為-18.3 dB。

　　關(guān)鍵詞： 微帶天線陣；凱澤貝塞爾加權(quán)；低旁瓣

0 引言

　　近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車保有量也在不斷地提高，隨之而來(lái)的汽車碰撞事故等交通問(wèn)題也越來(lái)越多，因此研制出高性能、易于集成、低成本的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)十分必要。而天線作為防撞雷達(dá)的核心部分，其增益和旁瓣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要，為了能夠探測(cè)到遠(yuǎn)距離目標(biāo)并且不受相鄰車道的回波干擾，要求天線具有高增益、低旁瓣。毫米波微帶天線具有體積小、質(zhì)量輕、制造成本低、易于生產(chǎn)、能方便地與有源器件和微波電路集成等特點(diǎn)，將其運(yùn)用在汽車的防撞系統(tǒng)中，不僅能夠達(dá)到雷達(dá)性能，還可以有效降低成本。

1 概述

　　常見(jiàn)的天線陣通常采用均勻分布，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、波束寬度窄，但是旁瓣電平比較高。為了權(quán)衡波束寬度和旁瓣電平，一般對(duì)均勻分布采用加權(quán)函數(shù)，如二項(xiàng)式加權(quán)函數(shù)、高斯加權(quán)函數(shù)、切比雪夫加權(quán)函數(shù)、凱澤貝塞爾加權(quán)函數(shù)等。二項(xiàng)式加權(quán)是以波束寬度展寬來(lái)零旁瓣；高斯加權(quán)類似于二項(xiàng)式加權(quán)，旁瓣得到了抑制，但波束寬度有了較大的展寬；切比雪夫加權(quán)可以實(shí)現(xiàn)在波束寬度略寬時(shí)，旁瓣低于均勻分布；凱澤貝塞爾加權(quán)可以有效抑制旁瓣，而波束寬度只比均勻分布略寬[1]。

　　切比雪夫加權(quán)可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)波束寬度和旁瓣電平，但參考文獻(xiàn)[2]給出了旁瓣電平恒定時(shí)，隨著單元數(shù)的增加，切比雪夫陣列天線方向性趨于定值，即給定旁瓣電平，隨著單元數(shù)的增加，切比雪夫陣列天線方向性趨于飽和，而凱澤貝塞爾陣列天線增益隨著單元數(shù)的增加而增加。當(dāng)單元數(shù)增加到一定數(shù)量時(shí)，具有相同單元結(jié)構(gòu)和旁瓣電平的凱澤貝塞爾陣列天線方向性系數(shù)遠(yuǎn)大于切比雪夫陣列天線方向系數(shù)，只是波束寬度比理想切比雪夫波束寬度稍微大一些。綜合考慮實(shí)際對(duì)實(shí)現(xiàn)高增益、低旁瓣及較窄波束的要求，本研究采用了凱澤貝塞爾幅值加權(quán)技術(shù)設(shè)計(jì)微帶陣列天線，該陣列天線可應(yīng)用于汽車防撞雷達(dá)。

2 凱澤貝塞爾陣列天線設(shè)計(jì)

　　2.1 天線單元設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)高性能、低成本，本文選用了Rogers5880的介質(zhì)基片，其介電常數(shù)εγ=2.2，損耗正切tanδ=0.000 9，基片厚度h=0.254 mm。輻射單元為4.94 mm×3.94 mm的矩形貼片，可以看作是一段微帶傳輸線與接地板間產(chǎn)生電場(chǎng)輻射。采用微帶線饋電的饋電方式，制作簡(jiǎn)單，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)饋電線在輻射貼片上的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)饋線特性阻抗與天線輸入阻抗的匹配。通過(guò)公式[3]計(jì)算出單元尺寸得到天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在CST2009中建立仿真模型并優(yōu)化得到如表1所示的天線單元設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　通過(guò)CST2009仿真得到天線單元駐波比如圖2所示，在工作頻率24 GHz~24.25 GHz天線單元駐波比均小于1.5。圖3為天線單元方向圖，增益為7.8 dBi。

　　2.2 4×8天線陣設(shè)計(jì)

　　相比于均勻分布，凱澤貝塞爾加權(quán)犧牲了很窄的一部分波束寬度，卻實(shí)現(xiàn)了明顯的旁瓣抑制。其設(shè)計(jì)方法就是利用凱澤貝塞爾窗函數(shù)特性對(duì)均勻分布進(jìn)行加權(quán)實(shí)現(xiàn)低旁瓣，一般是給定旁瓣電平和單元數(shù)，可以求出產(chǎn)生最佳方向圖的各單元電流值。本文設(shè)計(jì)的天線用于汽車防撞雷達(dá)，要求增益大于20 dBi，旁瓣電平小于   -15 dB。天線單元增益的仿真結(jié)果為7.8 dBi，考慮到饋線的損耗，本文天線設(shè)計(jì)為4×8的32元陣。

　　凱澤貝塞爾權(quán)值定義[4]如式（1）所示，其中N為每行單元數(shù)，α為影響旁瓣電平的參數(shù)，I0為第一類0階貝塞爾函數(shù)，經(jīng)計(jì)算α=3時(shí)，可以滿足旁瓣電平小于-20 dB。利用MATLAB計(jì)算得到歸一化的8陣元權(quán)值w1=0.210，w2=0.513 7，w3=0.813 6，w4=1，w5=1，w6=0.813 6，w7=0.513 7，w8=0.210。由于偶數(shù)陣元結(jié)構(gòu)對(duì)稱，只需考慮在一邊的4個(gè)單元，其電流幅值比（自陣列中心到兩端）I1∶I2∶I3∶I4=1∶0.813 6∶0.513 7∶0.210。4單元饋電結(jié)構(gòu)如圖4所示，需要設(shè)計(jì)3個(gè)不等分功分器，標(biāo)記為A、B、C，將圖示的10段微帶線由右向左標(biāo)號(hào)為1～10。在單元設(shè)計(jì)中可知Zin0=91.17 ，故對(duì)功分器A有I3∶I4=Zin1∶Zin0，則Zin1=223.02 ，由于Zin1∶Zino比值較大，采用Z2、Z3兩次1/4波長(zhǎng)變換，取Z1=Z3=Zino，則根據(jù)阻抗變換特性得到Zin1=Z1Z32/Z22，求出Z2=58.29 。對(duì)功分器B、C以此類推，可以得到各微帶線阻抗值[5]。

　　4單元結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)稱得到8單元線陣再經(jīng)并聯(lián)饋電網(wǎng)路擴(kuò)展為4×8的32元面陣，為保證天線陣各單元同相疊加，單元水平間距和垂直間距要求為一個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)，經(jīng)計(jì)算約為0.72λ0，在CST2009中建立仿真模型如圖5所示。

　　天線陣駐波比如圖6所示，由圖可以看出在24 GHz~24.25 GHz均小于2，符合設(shè)計(jì)要求。天線陣方向圖如圖7所示，由圖可知，在中心頻率24.125 GHz增益為22.3 dBi時(shí)，水平方向旁瓣抑制為-20.7 dB，波束寬度為10.1°，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由此可知?jiǎng)P澤貝塞爾陣列天線在保持較高增益的同時(shí)可以獲得較大的旁瓣抑制和較窄的波束寬度。

3 天線加工與測(cè)試

　　根據(jù)設(shè)計(jì)所得的天線結(jié)構(gòu)尺寸，使用AutoCAD繪制成加工版圖文件，加工所得的凱澤貝塞爾陣列天線實(shí)物如圖8所示。

　　使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得天線陣S11如圖9所示。由圖知在工作頻段內(nèi)均小于-15 dB，符合設(shè)計(jì)要求，但是諧振點(diǎn)偏移了中心頻率，可能是由于加工精度導(dǎo)致的誤差。

　　在微波暗室中使用NSI2000天線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，如圖10所示。在測(cè)試過(guò)程中將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線固定作為接收天線，將待測(cè)天線安裝固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得待測(cè)天線的輻射方向圖。將待測(cè)天線換成增益已知的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，通過(guò)測(cè)試、比較，可獲得待測(cè)天線的增益。

　　使用NSI2000天線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得天線陣在中心頻率的歸一化方向圖如圖11所示。

　　由圖11所設(shè)計(jì)的天線陣實(shí)際測(cè)試所得到的歸一化方向圖與仿真結(jié)果比較可見(jiàn)，實(shí)際輻射的主波束與仿真結(jié)果基本一致，在水平方向上3 dB波束寬度為9.7°；實(shí)際測(cè)試所得的旁瓣電平在-18.3 dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。通過(guò)比較法得到接收天線的實(shí)測(cè)增益結(jié)果如表2所示，比仿真所得增益下降了約2 dB。實(shí)際饋線的損耗、天線加工的精度以及測(cè)量過(guò)程中不可避免引入的測(cè)量誤差會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定誤差。從測(cè)試結(jié)果可得，所設(shè)計(jì)的發(fā)射天線滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

　　本文采用凱澤貝塞爾加權(quán)設(shè)計(jì)了高增益、低旁瓣的毫米波微帶天線陣。依據(jù)凱澤貝塞爾加權(quán)設(shè)計(jì)方法得到各元的電流權(quán)值，并以阻抗變化和功分器等技術(shù)給各元進(jìn)行分配。以電磁全波仿真軟件仿真優(yōu)化了天線陣。最后制作了陣列天線并在微波暗室中進(jìn)行了測(cè)試，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。設(shè)計(jì)的天線增益達(dá)到20.6 dBi，旁瓣抑制達(dá)到-18.3 dB，相比于均勻平面陣，保持了較高的增益并降低了旁瓣電平，可以應(yīng)用于汽車防撞雷達(dá)。

參考文獻(xiàn)

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　　[4] GROSS F.智能天線（MATLAB版）[M].何業(yè)軍，桂良啟，李霞，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

　　[5] 薛正輝，李偉明，任武.陣列天線分析與綜合[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.