用于汽車防撞雷達的波束賦形陣列天線設(shè)計

摘要：本文設(shè)計了一種應(yīng)用于汽車后向防撞雷達的波束賦形陣列天線。文章首先設(shè)計了串饋微帶陣列天線用于實現(xiàn)雷達俯仰面低副瓣方向圖；通過PSO優(yōu)化算法優(yōu)化出水平面波束賦形方向圖的激勵幅度和相位；然后設(shè)計了功分網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對該波束賦形陣列天線的饋電；最后將功分網(wǎng)絡(luò)與陣列天線組合起來，完成了波束賦形陣列天線的設(shè)計。該設(shè)計對汽車防撞雷達波束賦形的應(yīng)用具有參考價值。

1 引言

得益于被稱為“深度學(xué)習(xí)”的新一代人工智能軟件和更加可靠性能更好的電腦和硬件傳感器，在未來幾十年里，汽車將獲得與人類相似的能力，在無法預(yù)測的環(huán)境中自主安全駕駛，無人駕駛汽車將逐漸取代由人類駕駛的普通汽車^[1]；在這個從普通汽車到無人駕駛汽車過渡的過程中，毫米波防撞雷達作為無人駕駛汽車的“眼睛”，收集汽車周邊物體的速度，距離，位置等信息；毫米波防撞雷達的研究也成了近年來汽車電子廠商們關(guān)注的熱點。

2 汽車防撞雷達介紹

應(yīng)用于汽車的防撞雷達一般工作在兩個頻段：24GHz-24.25GHz和76GHz-81GHz；工作在24GHz頻段的防撞雷達一般安裝在汽車后向，實現(xiàn)盲區(qū)監(jiān)測（BSD），變道輔助（LCA）以及倒車側(cè)向警告（RCTA）等功能；工作在76GHz-81GHz頻段的毫米波防撞雷達一般安裝在汽車前向，用于實現(xiàn)自適應(yīng)巡航（ACC），緊急制動（AEB）等功能。汽車防撞雷達不同功能覆蓋區(qū)域如圖1所示：

圖1 防撞雷達波束覆蓋區(qū)域示意圖

本文所介紹的波束賦形陣列天線工作在77GHz-79GHz，作為安裝在汽車后向毫米波防撞雷達的一部分，用于實現(xiàn)BSD，LCA和RCTA功能；相對實現(xiàn)同樣功能工作在24GHz的防撞雷達，工作在77GHz頻率的雷達具有更高的速度探測精度，更遠的探測距離，更好的目標探測分辨率以及更小的尺寸，更易集成在后保險杠或汽車尾燈中等優(yōu)勢。

3波束賦形陣列天線的設(shè)計

3.1串饋微帶貼片陣列天線

微帶天線具有低剖面，重量輕，便于加工，成本低廉，易于與微波電路集成等優(yōu)點；將微帶貼片天線串聯(lián)饋電組成駐波線陣，能夠滿足高增益低副瓣等要求，適合用作毫米波防撞雷達天線。

3.1.1理論分析

微帶貼片天線可看做一個場量在橫向沒有變化的開路諧振器^[2]，其輻射場由貼片長度方向兩側(cè)開路縫隙產(chǎn)生，如圖2所示

圖2 矩形微帶貼片天線

通過微帶傳輸線將貼片串聯(lián)組成串饋駐波陣，貼片間距為；其示意圖如圖3所示

圖3 串饋微帶貼片線陣結(jié)構(gòu)示意圖

在串饋微帶貼片陣列中，每個貼片天線的寬度正比于貼片天線等效導(dǎo)納，而等效導(dǎo)納又正比于該貼片的激勵功率；因此通過并調(diào)節(jié)線陣中每個貼片的寬度，可以改變該天線的激勵功率，從而實現(xiàn)線陣激勵的錐削分布，滿足防撞雷達天線在俯仰面對于低副瓣的要求。

3.1.2 仿真設(shè)計

根據(jù)增益與波束寬度的要求確定該串饋微帶貼片線陣單元數(shù)為10，副瓣電平小于-20dB；采用厚度為5mil的RO3003介質(zhì)基板，經(jīng)理論分析與仿真軟件優(yōu)化。仿真模型如圖4所示

圖4天線仿真模型

天線俯仰面增益方向圖如圖5所示

圖5 俯仰面增益方向圖

線陣增益為15.1dBi，副瓣電平-22.6dB。

將圖4的線陣模型等間距排列6行組成如圖6所示的面陣

圖6 面陣仿真模型

該面陣用于實現(xiàn)水平面方向圖的波束賦形。

3.2 PSO粒子群算法優(yōu)化激勵幅度相位

粒子群的基本概念是來自于鳥群覓食行為的研究^[3]。與遺傳算法類似，粒子群算法也是一種隨機搜索方法，不同的是，粒子群優(yōu)化算法沒有選擇、交叉、變異等復(fù)雜過程，而是依靠個體間的協(xié)作來尋取最優(yōu)解。每個粒子通過跟蹤粒子本身找到的最優(yōu)解Pbest和群體找到的最優(yōu)解Gbest，更新離子的位置和速度，不斷向最優(yōu)解靠近，最終達到最優(yōu)解。粒子群算法優(yōu)化流程圖如圖7所示

圖7 算法優(yōu)化流程圖

從防撞雷達威力圖提取出波束賦形的目標方向圖，通過PSO優(yōu)化算法對圖6中陣列天線激勵幅相值得優(yōu)化，實現(xiàn)對目標方向圖的賦形。在HFSS仿真軟件中輸入粒子群算法優(yōu)化得到的激勵幅相值，得到仿真方向圖與目標方向圖如圖8所示

圖8波束賦形方向圖

從圖8可見仿真結(jié)果與目標方向圖吻合較好，說明粒子群算法優(yōu)化出的結(jié)果可靠。

3.3功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

3.2節(jié)確定了各線陣激勵的幅相值，但圖8里的仿真方向圖是理想的，現(xiàn)實中需要通過1分6的功分網(wǎng)絡(luò)來將其實現(xiàn)。常用的功分器有Wilkinson功分器和T型節(jié)功分器；Wilkinson功分器只能組成并饋網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)具有較大的損耗且占用面積大，不利于小型化；而由T型節(jié)組成的串饋功分網(wǎng)絡(luò)具有損耗低占用面積小的優(yōu)勢，更適合于實現(xiàn)3.2節(jié)中波束賦形的幅相激勵。

3.3.1理論分析

該串饋網(wǎng)絡(luò)依靠阻抗變換段實現(xiàn)波束賦形的激勵幅度，通過改變輸出饋線的長度實現(xiàn)波束賦形的激勵相位；串饋網(wǎng)絡(luò)等效電路如圖9所示

圖9串饋網(wǎng)絡(luò)等效電路

圖中Yo為連接功分網(wǎng)絡(luò)的串饋線陣等效導(dǎo)納，Zci為各阻抗變換段的特性阻抗，Zco為饋線的特性阻抗；串饋網(wǎng)絡(luò)輸出端口激勵電流與阻抗有如下的關(guān)系^[4]

各端口激勵電流Ii由3.2節(jié)優(yōu)化得到，傳輸線特性阻抗Zco已知，可以求出每節(jié)阻抗變換段對應(yīng)的特性阻抗，從而可以得到該特性阻抗對應(yīng)的寬度微帶線寬。

3.3.2 仿真設(shè)計

功分網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖10所示，

圖10功分網(wǎng)絡(luò)仿真模型

仿真得到的激勵幅相數(shù)據(jù)如表1所示

表1 仿真與PSO優(yōu)化幅相數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，該功分網(wǎng)絡(luò)較好的實現(xiàn)了PSO優(yōu)化出的激勵幅相值。

3.4整體仿真結(jié)果

圖10功分網(wǎng)絡(luò)與圖6中面陣連接成如圖11的仿真模型

圖11整體仿真模型

仿真得到的方位面方向圖與目標方向圖對比如圖12所示

圖12仿真與目標方向圖對比

從圖12可見仿真方向圖在-60°~+36°范圍內(nèi)與目標方向圖吻合較好，在此范圍之外與目標方向圖略有差異；這是由于天線對網(wǎng)絡(luò)耦合影響了網(wǎng)絡(luò)實際輸出的幅度和相位，仿真方向圖在遠離主波束的角度與目標方向圖有些差異；該仿真方向圖總體可以滿足后向防撞雷達BSD，LCA，RCTA三種功能應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種工作在77GHz-79GHz頻段，用于汽車后向防撞雷達的波束賦形陣列天線；首先根據(jù)雷達對于俯仰面方向圖高增益低副瓣的需求，設(shè)計了串饋貼片線陣，實現(xiàn)了-22.6dB的副瓣電平；然后將6條線陣等間距排布組成面陣，通過PSO粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化出可以實現(xiàn)方位面賦形波束的激勵幅相值；接著設(shè)計了1分6的串饋功分網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了優(yōu)化算法得到的激勵幅相，最后將網(wǎng)絡(luò)與天線面陣連接完成波束賦形陣列天線的設(shè)計。該波束賦形陣列仿真方向圖與目標方向圖吻合較好，對應(yīng)用于77GHz汽車防撞雷達的賦形天線設(shè)計具有一定的參考價值。