24 GHz 雷達(dá)水位計天線的設(shè)計與研究

楊天擇，單志勇,2

（1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.教育部數(shù)字化紡織研究中心，上海 201620）

0 引言

新的通信系統(tǒng)（如雷達(dá)水位計）需要小型的、輕型的、高頻的設(shè)備，因為它們的骨干是物聯(lián)網(wǎng)（IoT），要作為無線網(wǎng)絡(luò)來連接微小物體[1]。天線作為無線通信系統(tǒng)中發(fā)射和接收電磁波的部件，實現(xiàn)電能與電磁波能量相互轉(zhuǎn)換的功能，是無線通信系統(tǒng)前端至關(guān)重要的部件[2]。所以，天線的設(shè)計也要滿足新的通信系統(tǒng)所提出的小型化、輕型化、高帶寬、高增益等要求。微帶天線有著體積小、重量輕、易集成等特點，符合當(dāng)代通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的雷達(dá)水位計天線工作地點為室外，為了使其能較好地完成水位測量工作，應(yīng)該保證所設(shè)計的天線有著抗干擾能力強、輻射強度大、成本低廉、易安裝易使用等優(yōu)點。因此，本設(shè)計應(yīng)當(dāng)滿足寬頻帶、高增益、半功率波束寬度小、電壓駐波比小等要求。

對于微帶陣列天線而言，均勻分布的陣列天線具有結(jié)構(gòu)簡單、增益較高的優(yōu)點[3]，比較適合雷達(dá)水位計的設(shè)計。不過，微帶天線也存在著增益較低、帶寬較窄的缺點[4]。將多個輻射貼片按照一定的規(guī)律進(jìn)行排列就形成了陣列天線，相比于普通微帶天線，陣列天線的增益明顯提高，方向性也更加集中，可有效解決普通微帶天線增益不足的問題。但陣列天線并不能有效改善微帶天線的帶寬，研究表明，增加帶寬會導(dǎo)致尺寸增加[5]，所以，在保證輕型化、小型化的前提下提高天線的帶寬是本設(shè)計的難點。在所有微帶天線中，矩形微帶貼片天線有著最成熟的理論，設(shè)計方法也簡單易實現(xiàn)，因此，選用矩形貼片作為微帶陣列天線的輻射貼片。本文所設(shè)計的天線由三層介質(zhì)組成，通過對三層介質(zhì)的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出了三層介質(zhì)的最佳厚度：從上至下介質(zhì)厚度分別為0.254 mm、1.524 mm和0.508 mm，所以天線整體厚度僅為2.286 mm，有利于實現(xiàn)較寬的天線帶寬。饋線寬度同樣很大程度決定著天線的帶寬：饋線太窄，不易加工；饋線太寬，饋線與天線單元間耦合增大，從而影響陣列天線的輻射性能[6]。針對陣列天線半功率角易偏大的問題，本設(shè)計采用對稱式的單工雙端口饋電的方式以及陣元寬度之間特定的寬度比來增強陣列天線的方向性。結(jié)合微帶天線和陣列天線的特點，對所設(shè)計的微帶陣列天線作如下性能指標(biāo)要求：-10 dB帶寬1 GHz以上，最大增益6 dB 以上，半功率角小于14°，帶寬內(nèi)的電壓駐波比小于3。

1 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計

輻射貼片采用理論最為成熟的矩形貼片，一般來說，矩形貼片的長取為電磁波在介質(zhì)中的二分之一個等效波長，各貼片寬度從左至右依次為W 1、W 2、W 3、W 4。W 4 ∶W 3 ∶W 2 ∶W 1 滿 足1∶0.95∶0.87∶0.75。貼片之間的寬度之比等于各陣元激勵電流之比，滿足道爾夫-切比雪夫分布，這種分布可有效增強天線的方向性并提高天線的抗干擾能力[7-11]。天線的介質(zhì)板為三層不同介質(zhì)的介質(zhì)板疊加而成：最上層為“Taconic RF-35 (tm)”，介電常數(shù)為3.5；中間層為“Taconic RF-60 (tm)”，介電常數(shù)為6.15；最下層為“TLX-8”，介電常數(shù)為2.65。三層介質(zhì)板的長均為L=47.7 mm，寬均為W=48.69 mm。當(dāng)陣元數(shù)目較多時，并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的陣列尺寸較大，造成天線饋線網(wǎng)絡(luò)布局復(fù)雜，饋線損耗增大，而串聯(lián)饋電又容易造成陣元相位偏移[4]。通過對幾種饋電網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行分析，結(jié)合24 GHz 陣列天線陣元數(shù)較多的特點，選擇采用串并聯(lián)饋電的方式[5]。由微帶天線和串聯(lián)饋電的理論可知，線陣中每個輻射單元的長度都為二分之一個等效波長，要保證各陣元激勵電流的相位和幅度相同，則各陣元間的饋線的長度也應(yīng)該為二分之一個等效波長[6]。本文所設(shè)計的微帶陣列天線共有2×7×8 個陣元，兩個端口呈對稱式分布，都可發(fā)射和接收信號。天線的單元圖及正視圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 矩形貼片

圖2 微帶陣列天線正視圖

2 仿真結(jié)果分析

本次設(shè)計的模型構(gòu)建、參數(shù)優(yōu)化都是在高頻仿真軟件HFSS 上完成的，優(yōu)化完成后又利用HFSS 對所設(shè)計的天線進(jìn)行了仿真，并記錄下結(jié)果。仿真結(jié)果顯示：所設(shè)計的天線最大增益達(dá)到了8.38 dB，達(dá)到了6 dB 的指標(biāo)，3D 方向圖如圖3 所示；增益在-10 dB以下的帶寬為1.2 GHz（24 GHz～25.2 GHz），達(dá)到了1 GHz 的指標(biāo)；在工作頻率24.4 GHz 處的回波損耗為-19.5 dB，回波損耗圖如圖4 所示；半功率角為12°左右，達(dá)到了小于14°的指標(biāo)，E 面方向圖如圖5所示；帶寬內(nèi)的電壓駐波比小于3，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，電壓駐波比如圖6 所示。所測得的天線結(jié)果符合雷達(dá)水位計的性能需求。

圖3 陣列天線的3D 方向圖

圖4 陣列天線的回波損耗圖

圖5 陣列天線的E 面方向圖

圖6 陣列天線的電壓駐波比

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一款應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的24 GHz雷達(dá)水位計微帶陣列天線，并采用對稱式雙端口饋電的方式對天線進(jìn)行饋電。針對傳統(tǒng)微帶陣列天線帶寬窄、半功率角偏大等問題，對這些天線性能參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示，天線的增益達(dá)到了8.38 dB，增益在-10 dB 以下的帶寬為1.2 GHz（24 GHz～25.2 GHz），在工作頻率24.4 GHz處的回波損耗為-19.5 dB，半功率角為12°左右。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計的雷達(dá)水位計微帶陣列天線達(dá)到了設(shè)計要求，將其投入到農(nóng)田灌溉、生產(chǎn)養(yǎng)殖中，可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來便利。