用于汽车防撞雷达的波束赋形阵列天线设计

摘要：本文设计了一种应用于汽车后向防撞雷达的波束赋形阵列天线。文章首先设计了串馈微带阵列天线用于实现雷达俯仰面低副瓣方向图；通过PSO优化算法优化出水平面波束赋形方向图的激励幅度和相位；然后设计了功分网络实现对该波束赋形阵列天线的馈电；最后将功分网络与阵列天线组合起来，完成了波束赋形阵列天线的设计。该设计对汽车防撞雷达波束赋形的应用具有参考价值。

1 引言

得益于被称为“深度学习”的新一代人工智能软件和更加可靠性能更好的电脑和硬件传感器，在未来几十年里，汽车将获得与人类相似的能力，在无法预测的环境中自主安全驾驶，无人驾驶汽车将逐渐取代由人类驾驶的普通汽车^[1]；在这个从普通汽车到无人驾驶汽车过渡的过程中，毫米波防撞雷达作为无人驾驶汽车的“眼睛”，收集汽车周边物体的速度，距离，位置等信息；毫米波防撞雷达的研究也成了近年来汽车电子厂商们关注的热点。

2 汽车防撞雷达介绍

应用于汽车的防撞雷达一般工作在两个频段：24GHz-24.25GHz和76GHz-81GHz；工作在24GHz频段的防撞雷达一般安装在汽车后向，实现盲区监测（BSD），变道辅助（LCA）以及倒车侧向警告（RCTA）等功能；工作在76GHz-81GHz频段的毫米波防撞雷达一般安装在汽车前向，用于实现自适应巡航（ACC），紧急制动（AEB）等功能。汽车防撞雷达不同功能覆盖区域如图1所示：

图1 防撞雷达波束覆盖区域示意图

本文所介绍的波束赋形阵列天线工作在77GHz-79GHz，作为安装在汽车后向毫米波防撞雷达的一部分，用于实现BSD，LCA和RCTA功能；相对实现同样功能工作在24GHz的防撞雷达，工作在77GHz频率的雷达具有更高的速度探测精度，更远的探测距离，更好的目标探测分辨率以及更小的尺寸，更易集成在后保险杠或汽车尾灯中等优势。

3波束赋形阵列天线的设计

3.1串馈微带贴片阵列天线

微带天线具有低剖面，重量轻，便于加工，成本低廉，易于与微波电路集成等优点；将微带贴片天线串联馈电组成驻波线阵，能够满足高增益低副瓣等要求，适合用作毫米波防撞雷达天线。

3.1.1理论分析

微带贴片天线可看做一个场量在横向没有变化的开路谐振器^[2]，其辐射场由贴片长度方向两侧开路缝隙产生，如图2所示

图2 矩形微带贴片天线

通过微带传输线将贴片串联组成串馈驻波阵，贴片间距为；其示意图如图3所示

图3 串馈微带贴片线阵结构示意图

在串馈微带贴片阵列中，每个贴片天线的宽度正比于贴片天线等效导纳，而等效导纳又正比于该贴片的激励功率；因此通过并调节线阵中每个贴片的宽度，可以改变该天线的激励功率，从而实现线阵激励的锥削分布，满足防撞雷达天线在俯仰面对于低副瓣的要求。

3.1.2 仿真设计

根据增益与波束宽度的要求确定该串馈微带贴片线阵单元数为10，副瓣电平小于-20dB；采用厚度为5mil的RO3003介质基板，经理论分析与仿真软件优化。仿真模型如图4所示

图4天线仿真模型

天线俯仰面增益方向图如图5所示

图5 俯仰面增益方向图

线阵增益为15.1dBi，副瓣电平-22.6dB。

将图4的线阵模型等间距排列6行组成如图6所示的面阵

图6 面阵仿真模型

该面阵用于实现水平面方向图的波束赋形。

3.2 PSO粒子群算法优化激励幅度相位

粒子群的基本概念是来自于鸟群觅食行为的研究^[3]。与遗传算法类似，粒子群算法也是一种随机搜索方法，不同的是，粒子群优化算法没有选择、交叉、变异等复杂过程，而是依靠个体间的协作来寻取最优解。每个粒子通过跟踪粒子本身找到的最优解Pbest和群体找到的最优解Gbest，更新离子的位置和速度，不断向最优解靠近，最终达到最优解。粒子群算法优化流程图如图7所示

图7 算法优化流程图

从防撞雷达威力图提取出波束赋形的目标方向图，通过PSO优化算法对图6中阵列天线激励幅相值得优化，实现对目标方向图的赋形。在HFSS仿真软件中输入粒子群算法优化得到的激励幅相值，得到仿真方向图与目标方向图如图8所示

图8波束赋形方向图

从图8可见仿真结果与目标方向图吻合较好，说明粒子群算法优化出的结果可靠。

3.3功分网络的设计

3.2节确定了各线阵激励的幅相值，但图8里的仿真方向图是理想的，现实中需要通过1分6的功分网络来将其实现。常用的功分器有Wilkinson功分器和T型节功分器；Wilkinson功分器只能组成并馈网络，这种网络具有较大的损耗且占用面积大，不利于小型化；而由T型节组成的串馈功分网络具有损耗低占用面积小的优势，更适合于实现3.2节中波束赋形的幅相激励。

3.3.1理论分析

该串馈网络依靠阻抗变换段实现波束赋形的激励幅度，通过改变输出馈线的长度实现波束赋形的激励相位；串馈网络等效电路如图9所示

图9串馈网络等效电路

图中Yo为连接功分网络的串馈线阵等效导纳，Zci为各阻抗变换段的特性阻抗，Zco为馈线的特性阻抗；串馈网络输出端口激励电流与阻抗有如下的关系^[4]

各端口激励电流Ii由3.2节优化得到，传输线特性阻抗Zco已知，可以求出每节阻抗变换段对应的特性阻抗，从而可以得到该特性阻抗对应的宽度微带线宽。

3.3.2 仿真设计

功分网络仿真模型如图10所示，

图10功分网络仿真模型

仿真得到的激励幅相数据如表1所示

表1 仿真与PSO优化幅相数据

从表1中可以看出，该功分网络较好的实现了PSO优化出的激励幅相值。

3.4整体仿真结果

图10功分网络与图6中面阵连接成如图11的仿真模型

图11整体仿真模型

仿真得到的方位面方向图与目标方向图对比如图12所示

图12仿真与目标方向图对比

从图12可见仿真方向图在-60°~+36°范围内与目标方向图吻合较好，在此范围之外与目标方向图略有差异；这是由于天线对网络耦合影响了网络实际输出的幅度和相位，仿真方向图在远离主波束的角度与目标方向图有些差异；该仿真方向图总体可以满足后向防撞雷达BSD，LCA，RCTA三种功能应用。

4 结论

本文设计了一种工作在77GHz-79GHz频段，用于汽车后向防撞雷达的波束赋形阵列天线；首先根据雷达对于俯仰面方向图高增益低副瓣的需求，设计了串馈贴片线阵，实现了-22.6dB的副瓣电平；然后将6条线阵等间距排布组成面阵，通过PSO粒子群优化算法优化出可以实现方位面赋形波束的激励幅相值；接着设计了1分6的串馈功分网络实现了优化算法得到的激励幅相，最后将网络与天线面阵连接完成波束赋形阵列天线的设计。该波束赋形阵列仿真方向图与目标方向图吻合较好，对应用于77GHz汽车防撞雷达的赋形天线设计具有一定的参考价值。