77GHz寬帶低副瓣毫米波微帶天線設(shè)計(jì)

范文穎，侯慶文，陳先中

(1.北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 工業(yè)過程知識(shí)自動(dòng)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 順德研究生院，廣東 528300)

隨著數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)以及先進(jìn)裝備制造業(yè)的發(fā)展，我國的煤炭工業(yè)已轉(zhuǎn)向智能化方向發(fā)展。使用礦山機(jī)器人是智能化煤炭探測(cè)的一種重要手段。然而要實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)器人在巷道中正常運(yùn)行，需要機(jī)器人具備良好的環(huán)境感知能力。目前，地下煤礦中常用的感知方式有激光[1]、機(jī)器視覺[2]和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[3]等。激光雷達(dá)精度較高，但礦井中粉塵較多，這會(huì)對(duì)其探測(cè)精度提出不小的挑戰(zhàn)。雖然基于視覺的探測(cè)方式是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域，但針對(duì)于井下環(huán)境結(jié)構(gòu)少、照度低的場(chǎng)景，其魯棒性和準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步提高。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)雖然精度較高，但價(jià)格十分昂貴。相比于上述探測(cè)方式，可輕易穿透雪、煙、塵等物質(zhì)且具備在極端環(huán)境下全天候工作能力[4]的毫米波雷達(dá)，更適合于礦井環(huán)境的應(yīng)用場(chǎng)景。近些年來，77 GHz毫米波雷達(dá)因其具有更高的分辨率和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離而得到了制造商的青睞[5]。而天線作為毫米波雷達(dá)的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣至關(guān)重要，故而針對(duì)毫米波天線尤其是77 GHz毫米波天線，研究者們進(jìn)行了廣泛研究[6-11]。

東南大學(xué)的研究人員[6]針對(duì)77 GHz汽車?yán)走_(dá)遠(yuǎn)程發(fā)射機(jī)，提出一種基于基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW)饋電網(wǎng)絡(luò)的平面串饋貼片天線。該天線的工作頻率為75.0～78.5 GHz，最大增益達(dá)到20.33 dBi，可作為長距離雷達(dá)(Long Range Radar，LRR)的候選天線。JIAN等[7]設(shè)計(jì)了一款用于77 GHz汽車?yán)走_(dá)的串饋低副瓣微帶貼片線陣，陣列利用切比雪夫陣列綜合旁瓣電平。仿真結(jié)果表明，天線的工作頻率為75.8～77.3 GHz，最大副瓣電平為-22 dB。YU和XU分別提出具有平肩型方向圖的77 GHz毫米波雷達(dá)天線，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)中距離和遠(yuǎn)距離的場(chǎng)景信息檢測(cè)。YU等[8]提出的基片集成波導(dǎo)縫隙陣列天線，采用非線性擬合和漸進(jìn)空間映射混合優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)平肩型方向圖，峰值增益達(dá)到21.7 dBi。XU等[9]提出的切比雪夫陣列天線，采用陣列綜合方法實(shí)現(xiàn)平肩型方向圖。該類型天線在檢測(cè)中距離和遠(yuǎn)距離的場(chǎng)景信息時(shí)，避免了兩組天線的切換，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，減小了系統(tǒng)體積。

上述文獻(xiàn)中所提出的77 GHz毫米波天線雖然性能優(yōu)良，但都存在帶寬不足的問題，無法匹配76～81 GHz毫米波雷達(dá)芯片，因此無法達(dá)到較高的分辨率，這也源于微帶天線窄帶寬的這一缺點(diǎn)。相比于其他類型天線，微帶天線具有體積小、低剖面、便于單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)集成等優(yōu)點(diǎn)，這也使得微帶天線成為毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的首要選擇。然而，高品質(zhì)因數(shù)的諧振特性決定了傳統(tǒng)單層微帶天線的帶寬只有1%～2%[4]，這一缺點(diǎn)限制了它的發(fā)展。

常見的展寬帶寬的方式為在貼片或接地板開槽或采取堆疊結(jié)構(gòu)等。在微帶貼片的不同位置開不同形狀的槽，即相當(dāng)于引入阻抗匹配元件，在接地板的適當(dāng)位置開槽，則能夠提高微帶天線的阻抗特性及輻射條件。CHEN等[12]提出一種新型寬帶微帶天線，通過采用兩個(gè)對(duì)稱的垂直矩形槽和設(shè)置短路壁激勵(lì)靠近基模的四分之一諧振模，將-10 dB阻抗帶寬提高到26.5%。劉凡等[13]提出一種緊湊的微帶線饋電環(huán)形縫隙天線，通過在饋電點(diǎn)下方刻蝕圓形凹槽以及在接地平面中心加載L形槽口展寬天線帶寬。測(cè)試結(jié)果表明，天線的阻抗帶寬達(dá)到59%。SUN等[14]提出一種帶混合槽結(jié)構(gòu)的低剖面微帶天線。該天線由4個(gè)狹縫分隔成的條帶組成。通過控制條帶和槽的尺寸激發(fā)雙模，以增加工作帶寬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，-10 dB阻抗帶寬達(dá)到41%。CAI等[15]提出一種新型寬帶圓極化天線。它由一個(gè)三角形單極子和一個(gè)刻蝕在地板上的槽組成。采用分支饋電線并聯(lián)激勵(lì)單極子和縫隙，實(shí)現(xiàn)了天線的寬帶圓極化性能，-10 dB阻抗帶寬可達(dá)73.0%。根據(jù)電路理論可知，當(dāng)采取參差調(diào)諧的緊耦合回路時(shí)，頻帶將會(huì)得到展寬。根據(jù)該原理研究人員提出了具有多層結(jié)構(gòu)的微帶天線。文獻(xiàn)[16-19]提出的微帶天線，通過引入寄生貼片和空氣層分別將-10 dB阻抗帶寬提高約29.6%、21.8%、20.2%和48.8%。

針對(duì)77 GHz毫米波天線存在帶寬不足的問題，筆者研究采取多層結(jié)構(gòu)的方法予以改善，提出一種新型的寬帶低副瓣毫米波微帶天線。筆者設(shè)計(jì)的天線采取雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，放置于第1層介質(zhì)基板上的主饋電單元采取切比雪夫陣列綜合方法，可實(shí)現(xiàn)低副瓣特性；位于第2層介質(zhì)板上的寄生單元?jiǎng)t可實(shí)現(xiàn)整體天線帶寬的擴(kuò)展。

1 應(yīng)用于煤礦環(huán)境的微帶天線的性能特點(diǎn)

與地面環(huán)境不同，地下煤礦環(huán)境極其復(fù)雜。地下巷道環(huán)境空間受限，多瓦斯和粉塵，這就要傳感器具有良好的穿透能力。同時(shí)煤礦地下環(huán)境溫度高，濕度大，且電磁環(huán)境復(fù)雜，良好的抗干擾能力是傳感器不可或缺的性能。毫米波雷達(dá)因其更高的分辨率以及對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，在地下煤礦環(huán)境應(yīng)用方面具有得天得厚的優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)環(huán)形感知，需在履帶機(jī)器人周身安裝多個(gè)毫米波雷達(dá)。針對(duì)不同距離的探測(cè)需求，分別設(shè)計(jì)短距離毫米波微帶天線和長距離毫米波微帶天線。

圖1 天線波束覆蓋示意圖

考慮到地下巷道復(fù)雜的電磁環(huán)境，應(yīng)用于履帶機(jī)器人的毫米波微帶天線應(yīng)具備更強(qiáng)的抗干擾能力，這就要求所設(shè)計(jì)天線的副瓣電平盡可能低。同時(shí)，地下巷道中光線暗，濕度大，所設(shè)計(jì)的毫米波天線的帶寬應(yīng)盡量寬，以達(dá)到較高的分辨率。除此之外，與地面自動(dòng)駕駛的應(yīng)用場(chǎng)景相比，地下礦井環(huán)境中各運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢。因此，在地下礦井場(chǎng)景中的探測(cè)距離要求較低，這也使得微帶天線的最大增益可相對(duì)降低。故針對(duì)于地下煤礦環(huán)境的特點(diǎn)，相應(yīng)的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的天線應(yīng)具備強(qiáng)抗干擾能力和高分辨的優(yōu)良性能。

2 寬帶切比雪夫線陣設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的寬帶低副瓣毫米波微帶天線采取的介質(zhì)基板為Rogers RO4835 LoPro(相對(duì)介電常數(shù)εr為3.66，損耗角正切值為0.003 7，介質(zhì)基板厚度h為4 mil。1 mil≈0.025 4 mm)，并借助HFSS仿真件平臺(tái)進(jìn)行天線設(shè)計(jì)和分析。

2.1 切比雪夫線陣結(jié)構(gòu)

為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力，要求天線的副瓣電平盡量低。而對(duì)于一般的均勻直線陣，副瓣電平大概為-13.5 dB，不能滿足車載雷達(dá)的應(yīng)用需求。道爾夫-切比雪夫方法是一種能夠控制副瓣電平的陣列天線綜合方法，其對(duì)應(yīng)陣列稱為切比雪夫陣列。文中所設(shè)計(jì)天線的主輻射天線采取切比雪夫線陣。線陣通過調(diào)節(jié)各陣元的寬度控制各陣元的電流激勵(lì)幅度來滿足道爾夫-切比雪夫分布，以此來降低副瓣。

切比雪夫第一類多項(xiàng)式為[20]

Tm(x)=cos(mu) ，

(1)

其中，x=cosu。由三角函數(shù)恒等式，得到切比雪夫多項(xiàng)式的遞推公式為

Tm+1(x)=2xTm(x)-Tm-1(x) 。

(2)

根據(jù)上式，編寫切比雪夫陣列綜合算法，得到各單元貼片電流激勵(lì)幅度比值為1.000∶0.812∶0.519∶0.262，并由此來確定各陣元寬度。

切比雪夫線陣的示意圖如圖2(a) 所示。 在HFSS仿真環(huán)境中建立切比雪夫線陣模型，并進(jìn)行仿真優(yōu)化。圖2(b)、(c)分別為切比雪夫線陣優(yōu)化后得到的回波損耗曲線及二維方向圖。

根據(jù)圖2中的回?fù)軗p耗曲線及二維方向圖，可以得到切比雪夫線陣的歸一化最大副瓣電平為-16.4 dB，具有良好的低副瓣特性，但同時(shí)-10 dB的阻抗帶寬僅為0.8 GHz(76.7～77.5 GHz)。這是因?yàn)榍斜妊┓蜿嚵芯C合的方法通過對(duì)電流進(jìn)行錐削處理雖然降低了副瓣，但同時(shí)也會(huì)使得天線的帶寬變窄。很顯然，當(dāng)前的天線不能滿足毫米波雷達(dá)的需求。為此文中通過增加空氣層和矩形寄生單元的方法對(duì)帶寬進(jìn)行展寬。

(a) 微帶線陣示意圖

2.2 加入寄生單元的寬帶切比雪夫線陣

微帶天線阻抗頻帶窄的根本原因在于它是一種諧振式天線，其特性猶如一個(gè)高Q并聯(lián)諧振電路。因此，展寬帶寬的基本途徑就是降低等效諧振電路的Q值，可通過采取增大基板的厚度，降低介電常數(shù)等方法實(shí)現(xiàn)。筆者引入空氣腔和寄生單元展寬現(xiàn)有切比雪夫線陣帶寬。一方面由于空氣的相對(duì)介電常數(shù)(εr=1.000 585)低于基板1、2的相對(duì)介電常數(shù)，這使得天線整體的等效介電常數(shù)降低。另一方面，寄生單元的出現(xiàn)可增加新的諧振點(diǎn)，進(jìn)一步展寬帶寬。

寬帶切比雪夫線陣為雙層結(jié)構(gòu)，其空間結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。上下兩層介質(zhì)基板均采用Rogers RO4835 LoPro，其中切比雪夫線陣位于下層介質(zhì)基板，作為天線的主輻射體。8個(gè)矩形寄生單元位于上層介質(zhì)板，且每個(gè)寄生單元均位于切比雪夫線陣中矩形輻射貼片的正上方。

(a) 側(cè)視圖

在HFSS環(huán)境中建立寬帶切比雪夫線陣的仿真模型，并觀察其性能參數(shù)。加入寄生貼片和空氣層后，天線整體的等效介電常數(shù)發(fā)生改變，從而使得等效介質(zhì)波長發(fā)生改變，為了得到在期望頻段內(nèi)良好的輻射性能，因此需要對(duì)天線的尺寸重新進(jìn)行仿真優(yōu)化。

除輻射貼片的尺寸外，空氣層的高度h1也會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生影響。圖4為不同空氣層高度對(duì)應(yīng)的回波損耗曲線以及二維方向圖。

圖4 空氣層高度對(duì)反射系數(shù)的影響

如圖可知，h1= 0.20 mm為此時(shí)最優(yōu)的空氣層高度。過小的空氣層高度無法滿足增大帶寬的需求；而過大的空氣層高度，會(huì)使介電常數(shù)過小，相應(yīng)的電長度變化過大，容易發(fā)生相位偏移的情況。

經(jīng)過優(yōu)化后，得到寬帶切比雪夫線陣的回波損耗和二維方向圖如圖5所示，其具體尺寸如表1所示。

表1 寬帶切比雪夫線陣尺寸表

(a) 回波損耗曲線

根據(jù)回波損耗曲線，可以得到切比雪夫線陣在76.7～83 GHz頻段內(nèi)，其反射系數(shù)S11<-10 dB，也就是說，此時(shí)切比雪夫線陣-10 dB 阻抗帶寬為6.3 GHz。顯然，加入寄生單元后，天線的阻抗帶寬得到了擴(kuò)展，能夠滿足毫米波雷達(dá)高分辨率的需求。

根據(jù)二維方向圖可知，天線的最大增益為12.5 dBi，E面半功率波束寬度為24.2°，H面半功率波束寬度為79.6°，歸一化副瓣電平為-18 dB，滿足低副瓣的要求，相比于副瓣電平一般為-13.5 dB的等幅陣列，該天線能夠有效提高雷達(dá)的抗干擾能力。

該線陣雖然具有優(yōu)良的性能，但最大增益較低，無法應(yīng)用于礦山機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)離探測(cè)，故下文將以該雙層線陣為子陣進(jìn)行陣列天線的設(shè)計(jì)。但值得注意的是，該雙層線陣不僅可作為子陣，還可作為毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的接收天線和短距離發(fā)射天線。

3 寬帶低副瓣毫米波微帶天線陣列設(shè)計(jì)及分析

上節(jié)設(shè)計(jì)的雙層線陣雖然具有寬帶、低副瓣等優(yōu)良特性，但增益較低，無法滿足遠(yuǎn)距離雷達(dá)的應(yīng)用需求。本節(jié)將以上節(jié)線陣為基礎(chǔ)，采取T形功分器，設(shè)計(jì)一款適合遠(yuǎn)距離雷達(dá)的寬帶、低副瓣毫米波陣列天線。

3.1 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

陣列天線采取1×4 微帶T形功分器為饋電網(wǎng)絡(luò)，微帶饋電網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、尺寸小和方便加工的優(yōu)點(diǎn)，但也存在容易發(fā)生相位偏移的問題，故需要對(duì)微帶功分器的設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化。

微帶T形功分器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。筆者設(shè)計(jì)的微帶陣列天線左右為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此研究饋電網(wǎng)絡(luò)時(shí)只需研究左半平面。令左半平面兩邊往中間的兩條線陣的電流分布為I1∶I2=1.00∶0.43。因本設(shè)計(jì)中主饋線的特性阻抗為100 Ω，故對(duì)應(yīng)各線陣中阻抗變換段的特性阻抗分別為43 Ω、65 Ω，并由此確定各四分之一波長阻抗變換段的寬度。根據(jù)計(jì)算尺寸在HFSS環(huán)境中建立仿真模型。

圖6 微帶T形功分器示意圖

通過仿真優(yōu)化得到圖7所示的回波損耗曲線和各個(gè)端口的電流激勵(lì)幅度比。仿真結(jié)果顯示，該饋電網(wǎng)絡(luò)在75～84 GHz頻段內(nèi)均有良好的阻抗匹配效果，各端口的電流激勵(lì)比基本達(dá)到預(yù)期值。

(a) 回波損耗曲線

3.2 天線陣列設(shè)計(jì)及分析

利用上節(jié)得到的微帶T形功分器完成天線陣列的設(shè)計(jì)。天線陣列為雙層結(jié)構(gòu)，寄生貼片位于上層介質(zhì)基板，切比雪夫陣列位于下層介質(zhì)基板，如圖8所示。其優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。

(a) 上層寄生貼片

(a) 回波損耗曲線

如圖9(a)所示，在76.7～83.6 GHz頻段范圍內(nèi)，反射系數(shù)S11<-10 dB，即該陣列天線的-10 dB阻抗帶寬為7 GHz。圖9(b)為H面方向圖，最大增益為17 dBi，歸一化最大副瓣電平為-24 dB，半功率波束寬度為24.2°。圖9(c)為E面方向圖，由于饋電網(wǎng)絡(luò)本身的輻射，E面方向圖的歸一化最大副瓣電平出現(xiàn)略微上升的情況，此時(shí)的歸一化最大副瓣電平為-15 dB，半功率波束寬度為24.0°。

表2將筆者提出天線的性能和該論文引用文獻(xiàn)中的天線性能進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，該天線具有較高的阻抗帶寬、較低的副瓣電平、較小的尺寸，雖然最大增益相比于其他論文中的天線的最大增益較低，但是滿足礦山機(jī)器人環(huán)境探測(cè)的需求。綜合各參數(shù)，該陣列天線具有寬帶、低副瓣等優(yōu)良性能，能很好地滿足毫米波雷達(dá)的需求，在礦山機(jī)器人環(huán)境探測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。

表2 筆者文中所提出的寬帶低副瓣天線陣列與其他文獻(xiàn)天線性能對(duì)比

4 結(jié)束語

筆者提出一種適用于煤礦探測(cè)機(jī)器人的寬帶、低副瓣毫米波微帶天線。它采用雙層堆疊結(jié)構(gòu)，由主輻射天線、空氣層以及寄生單元構(gòu)成。主輻射天線采取切比雪夫陣列實(shí)現(xiàn)低副瓣特性，空氣層和寄生單元的加入用以展寬天線帶寬。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)天線的工作帶寬為76.7～83.6 GHz，E面和H面最大副瓣電平分別為 -15 dB和-24 dB，峰值增益為17 dBi，能夠有效提高雷達(dá)系統(tǒng)分辨率以及抗干擾能力。因此，筆者提出的寬帶低副瓣毫米波微帶天線適配于77 GHz毫米波雷達(dá)環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)。