24GHz微波雷達(dá)天線的極化方式選擇

24GHz 微波雷達(dá)傳感器被廣泛應(yīng)用于汽車主動安全、智能交通、安全防護(hù)、工業(yè)應(yīng)用以及無人機防撞等領(lǐng)域。天線作為雷達(dá)傳感器的關(guān)鍵性器件，在雷達(dá)傳感器中起“咽喉”作用，一方面需要盡可能多的把射頻源的信號發(fā)射出去；另一方面需要使雷達(dá)波覆蓋到合適的區(qū)域。根據(jù)筆者的設(shè)計經(jīng)驗，國內(nèi)外廠商常用的24GHz天線形式有微帶陣列天線、喇叭天線、介質(zhì)基片集成波導(dǎo)天線（SIW）以及透鏡天線。綜合考慮雷達(dá)傳感器體積和制造成本，商用領(lǐng)域最流行的天線形式是微帶天線。微帶天線印刷在高頻PCB上，借助于成熟的PCB加工工藝，設(shè)計廠商可以最大程度的減小成本。

圖1：采用RO4350B板材的24GHz微帶陣列天線

極化方式是表征電磁波的一個重要參數(shù)，由雷達(dá)天線決定。常用極化方式有線極化和圓極化兩種。線極化又分為垂直極化、水平極化和斜極化。雷達(dá)天線極化方式不同，會導(dǎo)致目標(biāo)反射回波的幅度和相位特性不同，進(jìn)而影響雷達(dá)的探測靈敏度。因此，研究目標(biāo)散射特性對雷達(dá)天線設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。筆者以電力巡線無人機為應(yīng)用背景，先對高壓線的散射特性進(jìn)行了研究。為了探究電力線對不同線極化入射波的散射特性，通過仿真方法對高壓線在24GHz的散射特性進(jìn)行分析。

首先建立仿真模型，用圖2所示細(xì)長圓柱形導(dǎo)體模擬電力線，圓柱體線徑設(shè)為R_wire，長度設(shè)為20λ0。設(shè)置入射平面波用于模擬雷達(dá)發(fā)射天線發(fā)射的電磁波。在入射源位置設(shè)置場感應(yīng)器，用于模擬雷達(dá)接收天線接收電力線反射波。入射波極化方向與電力線延伸方向的夾角為Φ_step。

圖2：電力線模型

使用基于有限元方法的高頻仿真軟件進(jìn)行仿真。固定線徑R_wire為0.67λ0，分析水平極化和垂直極化方式下RCS（雷達(dá)散射截面）隨Φ_step變化趨勢。從圖3所示結(jié)果中可以看出，當(dāng)入射波極化方向和電力線延伸方向由平行變化到垂直（Φ_step由0°變化到90°）時，RCS逐漸增加，但變化值在0.6dB以內(nèi)。固定Φ_step為0°，分析水平極化和垂直極化方式下RCS隨R_wire變化趨勢。從圖4所示結(jié)果中可以看出，兩種極化方式下的RCS都隨R_wire增加而變大。當(dāng)R_wire小于0.5λ0時，兩種方式下的RCS變化曲線呈交替上升狀態(tài)，但是變化值在1.5dB以內(nèi)。當(dāng)R_wire大于0.5λ0時，垂直極化的RCS要大于水平極化，變化值在0.6dB以內(nèi)。

圖3：不同極化方式下RCS隨Φ_step變化趨勢

圖4：不同極化方式下RCS隨R_wire變化趨勢

基于上述仿真結(jié)果得出結(jié)論：在天線參數(shù)（匹配、增益、方向圖）和射頻互連一致的條件下，K波段雷達(dá)天線的極化方式應(yīng)優(yōu)先選擇垂直極化方式。筆者采用RO4350B板材設(shè)計了圖5所示的兩種24GHz微帶天線陣列，兩種方案均為垂直極化方式。圖示陣列均為1×4，工作頻率可以覆蓋24GHz ISM帶寬，-3dB波束寬度約為70°×25°，垂直面的副瓣電平為-16dB。方案2所示天線已應(yīng)用于實際產(chǎn)品。當(dāng)然，不同應(yīng)用場景需要考慮不同的極化方式，筆者僅僅提供一個設(shè)計思路。

圖5：采用RO4350B設(shè)計的垂直極化微帶陣列天線

筆者使用RO4350B板材設(shè)計了大量24GHz的微帶天線陣列、微帶功分器、匹配網(wǎng)絡(luò)以及混頻網(wǎng)絡(luò)，既有簡單的雙面板，也有復(fù)雜的多層混壓板。在PCB加工廠使用標(biāo)準(zhǔn)的FR4加工工藝即可進(jìn)行加工，物料成本和加工成本都能得到很好的控制。

RO4350B最吸引人的是其優(yōu)異的高頻性能，它不僅在寬頻帶內(nèi)具有穩(wěn)定的介電常數(shù)，而且具有極低的損耗系數(shù)，足以應(yīng)付24GHz微波雷達(dá)對天線增益和微波傳輸損耗的設(shè)計需求，是業(yè)界最具競爭力的低損耗高頻板材。此外，Rogers公司為工程師提供了精準(zhǔn)的微帶線設(shè)計工具和大量實測應(yīng)用數(shù)據(jù)，這使得設(shè)計周期能夠大幅縮短，筆者一般通過兩個版本迭代就可以滿足設(shè)計指標(biāo)。