李建兵 發表於 2018-03-16 14:17:33
24GHz 微波雷達傳感器被廣泛應用於汽車主動安全、智能交通、安全防護、工業應用以及無人機防撞等領域。天線作為雷達傳感器的關鍵性器件，在雷達傳感器中起「咽喉」作用，一方面需要儘可能多的把射頻源的信號發射出去；另一方面需要使雷達波覆蓋到合適的區域。根據筆者的設計經驗，國內外廠商常用的24GHz天線形式有微帶陣列天線、喇叭天線、介質基片集成波導天線（SIW）以及透鏡天線。綜合考慮雷達傳感器體積和製造成本，商用領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，藉助於成熟的PCB加工工藝，設計廠商可以最大程度的減小成本。
圖1：採用RO4350B板材的24GHz微帶陣列天線
極化方式是表徵電磁波的一個重要參數，由雷達天線決定。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。雷達天線極化方式不同，會導致目標反射回波的幅度和相位特性不同，進而影響雷達的探測靈敏度。因此，研究目標散射特性對雷達天線設計具有重要的指導意義。筆者以電力巡線無人機為應用背景，先對高壓線的散射特性進行了研究。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的散射特性進行分析。
首先建立仿真模型，用圖2所示細長圓柱形導體模擬電力線，圓柱體線徑設為R_wire，長度設為20λ0。設置入射平面波用於模擬雷達發射天線發射的電磁波。在入射源位置設置場感應器，用於模擬雷達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
使用基於有限元方法的高頻仿真軟體進行仿真。固定線徑R_wire為0.67λ0，分析水平極化和垂直極化方式下RCS（雷達散射截面）隨Φ_step變化趨勢。從圖3所示結果中可以看出，當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。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R_wire小於0.5λ0時，兩種方式下的RCS變化曲線呈交替上升狀態，但是變化值在1.5dB以內。當R_wire大於0.5λ0時，垂直極化的RCS要大於水平極化，變化值在0.6dB以內。
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
基於上述仿真結果得出結論：在天線參數（匹配、增益、方向圖）和射頻互連一致的條件下，K波段雷達天線的極化方式應優先選擇垂直極化方式。筆者採用RO4350B板材設計了圖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所示天線已應用於實際產品。當然，不同應用場景需要考慮不同的極化方式，筆者僅僅提供一個設計思路。
圖5：採用RO4350B設計的垂直極化微帶陣列天線
筆者使用RO4350B板材設計了大量24GHz的微帶天線陣列、微帶功分器、匹配網絡以及混頻網絡，既有簡單的雙面板，也有複雜的多層混壓板。在PCB加工廠使用標準的FR4加工工藝即可進行加工，物料成本和加工成本都能得到很好的控制。
RO4350B最吸引人的是其優異的高頻性能，它不僅在寬頻帶內具有穩定的介電常數，而且具有極低的損耗係數，足以應付24GHz微波雷達對天線增益和微波傳輸損耗的設計需求，是業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的微帶線設計工具和大量實測應用數據，這使得設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計指標。
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