用于無人機的毫米波雷達微帶天線設計與實現(xiàn)

相信大多數(shù)人都知道無人機也非常想親身體驗一下無人機的操作，我們生活中看到的無人機更多用來航拍娛樂，但其實我們看影視劇也可以發(fā)現(xiàn)無人機可以用于監(jiān)測敵方或者軍事上，同時無人機也可以與射頻技術(shù)結(jié)合用于科研。今天要給大家介紹的就是可用于無人機高度測量的毫米波雷達微帶天線的設計與實現(xiàn)，該實驗項目通過完成該天線的自主設計、仿真、優(yōu)化、制作和測試的過程， 能讓大家更多的了解無人機里面的技術(shù)原理。?

1、天線指標要求

無人機高度計雷達不需要測障礙物方位角，只需要把距離最近的障礙物的距離信息測量出來即可，所以可以采用單發(fā)單收形式。結(jié)合無人機的應用場景和 K 波段毫米波雷達主流射頻芯片的指標，實驗項目中所設計的天線指標如下:

●工作頻率: 24 GHz ～24． 25 GHz;

●工作頻率范圍內(nèi)的駐波比: ρ 小于 1． 5;

●增益: 大于 10 dB;

●E 面副瓣電平: 小于 －18 dB;

●E 面半功率波束角: 小于 30°。微帶天線具有剖面低、體積小、重量輕、易共形、可集成化等特點，各種不同形式的微帶陣列天線被廣泛應用于毫米波雷達 。

2、實驗過程

整個實驗的設計過程，首先要根據(jù)具體指標選擇合適的板材，然后是對天線尺寸、饋電等的初步設計，再利用仿真軟件進行輻射單元建模仿真和陣列設計，最后是實物加工和測試。

2．1 板材選擇

PCB 板材擇主要考慮三個因素: 板材厚度 h，相對介電常數(shù) ε r ，正切損耗 tanδ。板厚一般小于0． 1λ 0 ，出于增加工作帶寬的考慮，一般選擇較厚的板材，但如果板材過厚，會影響天線輻射效率。此外，相對介電常數(shù)越低，工作帶寬越大。Ｒo4350b 板材是 K 波段天線的常用板材，電路設計推薦參數(shù)為: 相對介電常數(shù) 3． 66，正切損耗 0．004，板厚選擇 0． 508 mm。

2． 2 輻射單元設計

（1) 天線單元的尺寸理論計算

確定板材后，首先要確定輻射單元的尺寸，其長寬值可由下列公式( 1) 和( 2) 得到。矩形微帶貼片單元的寬度為 W:?

式中 f r 為中心頻率，c 為光速?？紤]到輻射貼片的邊緣效應，矩形貼片單元的長度為 L:?

上式中 ε e 為有效介電常數(shù)，ΔL 為末端效應長度，它們由下列公式( 3) ( 4) 求得。?

(2) 饋電方式選擇

饋電方式選擇微帶線側(cè)饋方式。在饋線與輻射單元接觸點處開兩個矩形槽，用于阻抗匹配，如圖 1( a) 所示，矩形槽深度 L 1 約等于貼片長度的三分之一，寬度 W 1 通過優(yōu)化得出。(3) 輻射單元仿真利用 HFSS 軟件建立仿真三維模型，輻射單元三維模型如圖 1( b) 所示。一般情況下初始仿真結(jié)果與設計指標都有偏差，需要分析偏差原因，進行參數(shù)調(diào)整。通過仿真優(yōu)化，得出: W = 3． 7 mm，L = 3mm，W 1 =0． 32 mm，L 1 =0． 76 mm。

圖 1 輻射單元輸入端口駐波比和反射系數(shù)

仿真結(jié)果如圖 2 所示，從仿真結(jié)果可知，在 24． 125 GHz 處的 S 11 參數(shù)為－39． 64 dB，駐波比為 1． 02; 在 23． 75 GHz ～24． 49GHz 駐波比小于 1． 5，滿足要求。輻射單元的方向圖仿真結(jié)果如圖 3 所示，單元增益為 6． 83 dBi。對比設計指標和輻射單元的仿真結(jié)果，可以看出單天線增益和波束寬度均無法滿足設計要求，需要用天線陣列來完成設計。

圖 2 輻射單元輸入端口仿真結(jié)果

圖 3 輻射單元方向圖仿真結(jié)果

2．3 天線陣列設計

（1) 天線形式確定

天線半功率波束寬度由下式( 5) 求得

上式中，λ 0 為中心頻率處的真空波長; f x 和 σ x為波束展寬因子; d 為輻射單元間距; N 為輻射單元數(shù)，α m 為最大輻射方向與平面陣元之間的夾角。為滿足單元副瓣抑制條件，單元間距 d 必須小于波長λ 0 ，適當縮小單元間距可以更好實現(xiàn)陣列天線的小型化，相應的會增大波束角，所以單元間距 d 選擇 6mm。根據(jù)天線指標 E 面半功率波束角小于 30 度，算得 N 需要大于 3． 52。結(jié)合仿真所得的單個貼片單元的幅度方向圖增益和天線指標增益要求，輻射單元數(shù)至少有 4 個。綜合考慮這兩點，可選擇 4 元輻射單元。此外，為抑制副瓣，輻射單元的饋電幅度采用泰勒加權(quán)的方式。根據(jù)天線指標副瓣電平小于 － 18dB，為保留設計余量，將副瓣電平 SLL 設為 － 20dB，算得泰勒權(quán)值為 I 1 : I 2 等于 1: 0． 6339。

(2) 饋電網(wǎng)絡設計

陣列天線示意圖如圖 4( a) 所示，根據(jù)該示意圖可以畫出右邊兩個輻射單元和饋電網(wǎng)絡的等效電路，如圖 4( b) 所示，其中 Y 0 為輻射單元輸入導納，Z c0 為微帶線特性阻抗，Z c1 和 Z c2 為 90°電長度阻抗變換器的特性阻抗，Y 2 ’和 Y 2 為節(jié)點處輸入導納，I 1和 I 2 為兩個輻射單元的電流幅度。?

圖 4 天線陣示意圖

(3) 陣列天線仿真

按照圖 4( a) 的天線示意圖進行建模，得到陣列天線三維模型如圖 5 所示。

圖 5 天線陣 HFSS 模型輸入端口

仿真結(jié)果如圖 6 所示，在中心頻率24． 125 GHz 的 S 11 參數(shù)為 － 34． 46 dB，駐波比為 1．04; 在24 GHz 和24． 25 GHz 頻點上的駐波比分別為1． 24 和 1． 22，滿足設計要求。

圖 6 天線陣輸入端口仿真結(jié)果

圖 7 天線陣方向圖仿真結(jié)果

天線在 24． 125 GHz 上的方向圖仿真結(jié)果如圖7 所示，增益為12． 12 dBi，E 面副瓣電平優(yōu)化后達到－18． 35 dB，E 面 － 3dB 波束寬度為 27°，H 面 － 3dB 波束寬度為 68°，滿足設計要求。

2．4 天線加工與測試天線仿真完畢后，用 AD09 軟件制作 PCB 工程文件，即可加工制版，學生設計完成的一個天線實物如圖 8 所示。輸入端口采用 2． 92 mm 的射頻接頭，探針直徑為 0． 3 mm。

圖 8 天線實物

測試包括天線駐波比測試和方向圖測試兩部分。其中，駐波比測試是利用矢量網(wǎng)絡分析儀完成，天線方向圖測試，需要在微波暗室內(nèi)進行，成本較高而且耗時很長，因此測試時應選擇個別仿真和反射系數(shù)結(jié)果較好的天線進行測試。圖 8 對應的學生設計出來的天線端口測試結(jié)果見表 1 和圖 9，從圖中可見在工作頻率范圍內(nèi)，天線輸入駐波比均在 1． 5 以下，滿足要求。表 1 高度計天線輸入端口測試結(jié)果?

圖 9 天線駐波比 S 11 參數(shù)實測結(jié)果

該天線實測方向圖如圖 10 所示，在 24． 125GHz 處，E 面 － 3 dB 波束角為 28°，副瓣電平為 －18． 94 dB; H 面 －3 dB 波束角為 65°，達到了設計要求。圖 10 天線實測幅度方向圖3 結(jié)語在教育部當前開展新工科研究與實踐的背景下，今天給大家開展了射頻電路設計創(chuàng)新實驗項目的探索，開發(fā)了用于無人機高度測量的毫米波雷達天線的設計實驗項目。該實驗緊跟科學領(lǐng)域發(fā)展前沿，內(nèi)容涵蓋的知識點多，將微波技術(shù)、射頻電路和天線原理等方面的知識有機融合，通過一個完整而又系統(tǒng)的設計過程，模擬解決實際工程問題的研發(fā)步驟，讓大家獲得更多的探索體驗，具有很好的應用價值。

編輯：黃飛

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