摘要：本文設計了一種應用于汽車后向防撞雷達的波束賦形陣列天線。文章首先設計了串饋微帶陣列天線用于實現雷達俯仰面低副瓣方向圖；通過PSO優化算法優化出水平面波束賦形方向圖的激勵幅度和相位；然后設計了功分網絡實現對該波束賦形陣列天線的饋電；最后將功分網絡與陣列天線組合起來，完成了波束賦形陣列天線的設計。該設計對汽車防撞雷達波束賦形的應用具有參考價值。

1 引言

得益于被稱為“深度學習”的新一代人工智能軟件和更加可靠性能更好的電腦和硬件傳感器，在未來幾十年里，汽車將獲得與人類相似的能力，在無法預測的環境中自主安全駕駛，無人駕駛汽車將逐漸取代由人類駕駛的普通汽車^[1]；在這個從普通汽車到無人駕駛汽車過渡的過程中，毫米波防撞雷達作為無人駕駛汽車的“眼睛”，收集汽車周邊物體的速度，距離，位置等信息；毫米波防撞雷達的研究也成了近年來汽車電子廠商們關注的熱點。

2 汽車防撞雷達介紹

應用于汽車的防撞雷達一般工作在兩個頻段：24GHz-24.25GHz和76GHz-81GHz；工作在24GHz頻段的防撞雷達一般安裝在汽車后向，實現盲區監測（BSD），變道輔助（LCA）以及倒車側向警告（RCTA）等功能；工作在76GHz-81GHz頻段的毫米波防撞雷達一般安裝在汽車前向，用于實現自適應巡航（ACC），緊急制動（AEB）等功能。汽車防撞雷達不同功能覆蓋區域如圖1所示：

圖1 防撞雷達波束覆蓋區域示意圖

本文所介紹的波束賦形陣列天線工作在77GHz-79GHz，作為安裝在汽車后向毫米波防撞雷達的一部分，用于實現BSD，LCA和RCTA功能；相對實現同樣功能工作在24GHz的防撞雷達，工作在77GHz頻率的雷達具有更高的速度探測精度，更遠的探測距離，更好的目標探測分辨率以及更小的尺寸，更易集成在后保險杠或汽車尾燈中等優勢。

3波束賦形陣列天線的設計

3.1串饋微帶貼片陣列天線

微帶天線具有低剖面，重量輕，便于加工，成本低廉，易于與微波電路集成等優點；將微帶貼片天線串聯饋電組成駐波線陣，能夠滿足高增益低副瓣等要求，適合用作毫米波防撞雷達天線。

3.1.1理論分析

微帶貼片天線可看做一個場量在橫向沒有變化的開路諧振器^[2]，其輻射場由貼片長度方向兩側開路縫隙產生，如圖2所示

圖2 矩形微帶貼片天線

通過微帶傳輸線將貼片串聯組成串饋駐波陣，貼片間距為；其示意圖如圖3所示

圖3 串饋微帶貼片線陣結構示意圖

在串饋微帶貼片陣列中，每個貼片天線的寬度正比于貼片天線等效導納，而等效導納又正比于該貼片的激勵功率；因此通過并調節線陣中每個貼片的寬度，可以改變該天線的激勵功率，從而實現線陣激勵的錐削分布，滿足防撞雷達天線在俯仰面對于低副瓣的要求。

3.1.2 仿真設計

根據增益與波束寬度的要求確定該串饋微帶貼片線陣單元數為10，副瓣電平小于-20dB；采用厚度為5mil的RO3003介質基板，經理論分析與仿真軟件優化。仿真模型如圖4所示

圖4天線仿真模型

天線俯仰面增益方向圖如圖5所示

圖5 俯仰面增益方向圖

線陣增益為15.1dBi，副瓣電平-22.6dB。

將圖4的線陣模型等間距排列6行組成如圖6所示的面陣

圖6 面陣仿真模型

該面陣用于實現水平面方向圖的波束賦形。

3.2 PSO粒子群算法優化激勵幅度相位

粒子群的基本概念是來自于鳥群覓食行為的研究^[3]。與遺傳算法類似，粒子群算法也是一種隨機搜索方法，不同的是，粒子群優化算法沒有選擇、交叉、變異等復雜過程，而是依靠個體間的協作來尋取最優解。每個粒子通過跟蹤粒子本身找到的最優解Pbest和群體找到的最優解Gbest，更新離子的位置和速度，不斷向最優解靠近，最終達到最優解。粒子群算法優化流程圖如圖7所示

圖7 算法優化流程圖

從防撞雷達威力圖提取出波束賦形的目標方向圖，通過PSO優化算法對圖6中陣列天線激勵幅相值得優化，實現對目標方向圖的賦形。在HFSS仿真軟件中輸入粒子群算法優化得到的激勵幅相值，得到仿真方向圖與目標方向圖如圖8所示

圖8波束賦形方向圖

從圖8可見仿真結果與目標方向圖吻合較好，說明粒子群算法優化出的結果可靠。

3.3功分網絡的設計

3.2節確定了各線陣激勵的幅相值，但圖8里的仿真方向圖是理想的，現實中需要通過1分6的功分網絡來將其實現。常用的功分器有Wilkinson功分器和T型節功分器；Wilkinson功分器只能組成并饋網絡，這種網絡具有較大的損耗且占用面積大，不利于小型化；而由T型節組成的串饋功分網絡具有損耗低占用面積小的優勢，更適合于實現3.2節中波束賦形的幅相激勵。

3.3.1理論分析

該串饋網絡依靠阻抗變換段實現波束賦形的激勵幅度，通過改變輸出饋線的長度實現波束賦形的激勵相位；串饋網絡等效電路如圖9所示

圖9串饋網絡等效電路

圖中Yo為連接功分網絡的串饋線陣等效導納，Zci為各阻抗變換段的特性阻抗，Zco為饋線的特性阻抗；串饋網絡輸出端口激勵電流與阻抗有如下的關系^[4]

各端口激勵電流Ii由3.2節優化得到，傳輸線特性阻抗Zco已知，可以求出每節阻抗變換段對應的特性阻抗，從而可以得到該特性阻抗對應的寬度微帶線寬。

3.3.2 仿真設計

功分網絡仿真模型如圖10所示，

圖10功分網絡仿真模型

仿真得到的激勵幅相數據如表1所示

表1 仿真與PSO優化幅相數據

從表1中可以看出，該功分網絡較好的實現了PSO優化出的激勵幅相值。

3.4整體仿真結果

圖10功分網絡與圖6中面陣連接成如圖11的仿真模型

圖11整體仿真模型

仿真得到的方位面方向圖與目標方向圖對比如圖12所示

圖12仿真與目標方向圖對比

從圖12可見仿真方向圖在-60°~+36°范圍內與目標方向圖吻合較好，在此范圍之外與目標方向圖略有差異；這是由于天線對網絡耦合影響了網絡實際輸出的幅度和相位，仿真方向圖在遠離主波束的角度與目標方向圖有些差異；該仿真方向圖總體可以滿足后向防撞雷達BSD，LCA，RCTA三種功能應用。

4 結論

本文設計了一種工作在77GHz-79GHz頻段，用于汽車后向防撞雷達的波束賦形陣列天線；首先根據雷達對于俯仰面方向圖高增益低副瓣的需求，設計了串饋貼片線陣，實現了-22.6dB的副瓣電平；然后將6條線陣等間距排布組成面陣，通過PSO粒子群優化算法優化出可以實現方位面賦形波束的激勵幅相值；接著設計了1分6的串饋功分網絡實現了優化算法得到的激勵幅相，最后將網絡與天線面陣連接完成波束賦形陣列天線的設計。該波束賦形陣列仿真方向圖與目標方向圖吻合較好，對應用于77GHz汽車防撞雷達的賦形天線設計具有一定的參考價值。