24GHz汽车雷达PFSIW漏波天线-优快云博客

部分填充半模基板集成波导漏波天线用于24 GHz汽车雷达

摘要

本文提出了一种基于半模基片集成波导（SIW）中周期性开孔结构的新型高效率漏波天线（LWA），用于汽车雷达。该部分填充SIW（PFSIW）漏波天线的计算机辅助设计通过全波电磁仿真器完成。作为概念验证，采用标准低成本印刷电路板（PCB）制造工艺加工了一个尺寸为15 × 126 mm²的漏波天线原型。所制备的原型在24 GHz汽车短程雷达频段实现了超过25%的阻抗带宽。此外，在24 GHz处测得的峰值增益和总天线效率分别高达15.5 dBi和85%。当工作频率从22 GHz变化到26 GHz时，主辐射方向连续扫描，从38°变至58°，平均半功率波束宽度为12°。相比之下，160 mm长的介质填充SIW（DFSIW）漏波天线测得的扫描范围为49°，总天线效率为43.8%；而80.3 mm长的空气填充SIW（AFSIW）漏波天线测得的扫描范围为9°，总天线效率为80%。因此，PFSIW技术为预期的短程汽车雷达应用在DFSIW和AFSIW之间提供了最佳折衷方案。

索引术语

空气填充，汽车雷达，介质填充，频率扫描天线，漏波天线（LWA），部分填充，基片集成波导（SIW）

一、引言

EFFICIENT 稳定可靠的汽车雷达对于自动驾驶系统至关重要，可减少危险和高风险行为。这些传感器应具备紧凑的尺寸，同时表现出稳定的高增益可操控波束能力，以便在短距离内识别移动物体，即使物体的相对位置未知也能正常工作。此外，系统的尺寸应支持在不同车型中的隐形集成。同时，还需开发新的高性价比制造技术，以广泛实现天线系统与车辆的协同集成。因此，为了减少日常交通中的伤亡人数，汽车雷达中的天线在成本和性能方面都需要进一步改进。

基于基片集成波导（SIW）技术的频率扫描天线由于其经济的波束扫描能力、简单且低成本的制造工艺，以及在紧凑空间内实现隐蔽且坚固集成的潜力，在雷达系统中受到广泛关注。然而，传统介质填充SIW（DFSIW）技术中的介质损耗不可避免地限制了辐射效率，使其不太适用于商用汽车雷达，例如工作在24、77和94 GHz的短程雷达（SRR），这些应用需要在紧凑尺寸下实现高效率的天线系统。为解决这一问题，提出了空气填充SIW（AFSIW）技术，通过用空气替代DFSIW拓扑结构中的介质基板材料来降低介质损耗。然而，这种方法极大地削弱了频率扫描能力，导致无法达到端射方向。相比之下，采用部分填充SIW（PFSIW）技术可能在减轻介质损耗的同时，实现宽范围的频率扫描。

本文提出了一种新型的部分填充半模SIW（HM-SIW）漏波天线（LWA），工作在[22]–[26]GHz频段。该新颖的天线拓扑结构具有以下优点：(i) 显著的效率提升和与介质填充同类器件兼容的小型外形；(ii) 与空气填充拓扑结构相比，扫描范围显著改善；(iii) 较低的制造和波束控制成本；(iv) 优异的天线/平台隔离性能。因此，所提出的天线拓扑结构为预期的短程汽车雷达在DFSIW和AFSIW之间提供了最佳折衷方案。

在过去几十年中，为了在K波段实现天线性能和制造成本之间的最优方案，已开发出多种技术，包括微带、透镜、和波导拓扑结构。Alha-labi和Rebeiz提出了一种微带馈电端射斜角偶极子阵列。尽管该设计提供了一种有前景的连续波束控制方案，但仍需使用昂贵且损耗较高的移相器，并要求其互连具有低插入损耗。S. Otto 等提出了一种微带周期性漏波拓扑结构，可实现高效且经济的波束扫描。然而，微带技术固有的损耗会降低辐射效率。文献[9]–[13]依赖于基于平面多层透镜的相控阵。尽管这些方案相对紧凑，但采用多层印制电路板（PCB）技术使得天线制造成本较高。此外，波束控制仅限于预定义角度，无法实现连续波束扫描。在SIW技术中实现的行波相控阵已在文献[14]–[16]中提出。这些方案具有显著的成本降低优势由于其单射频层天线拓扑结构，它们能够实现频率扫描。然而，由于较高的介质和导体损耗，导致天线效率较低。

本信件结构如下。第二节概述了新型天线拓扑结构及其实现技术的全部设计方面。第三节提出了PFSIW技术，并展示了其相较于DFSIW和AFSIW方案的优势。第四节对制作的原型进行了验证。最后，第五节得出了结论。

II. 天线拓扑结构、设计与制造

一种线极化部分填充的半模基片集成波导漏波天线（见图1），设计用于符合美国联邦通信委员会标准的[22–26] GHz频段SRR。在整个工作频带内，要求总天线效率超过80%，回波损耗大于10 dB（相对于 50 Ω）。此外，还需要具备可操控主波束。将辐射方向图的最大值指向对应于物体方向的角度。最后，希望采用一种低成本的制造工艺，在实际部署场景中提供稳健的性能和高效率，以保持与当前最先进的解决方案的竞争力。

示意图0

因此，采用图1(a)所示的拓扑结构，该结构由两层导电层（第1层和第3层）以及一层介质层（第2层）组成。第1层和第3层采用边缘镀铜的低成本1.0毫米厚FR4基板（εr= 4.3，tanδ= 0.024），用于实现中间介质层（第2层）的顶部和底部导电边界，第2层由低损耗的0.5毫米厚Rogers RO4350B基板（εr= 3.66，tanδ= 0.0031）构成。首先，在该层中设计了一个三段式过渡结构，从 SMA探针过渡到半模漏波天线，其灵感来自文献[18]中提出的高‐低介电常数基板上的基片集成波导过渡结构，以实现工作频带内的良好匹配。灵活且简单的接地共面波导馈电方式可实现高隔离度，并支持紧凑型集成电路组件，相较于体积较大的金属波导馈电更具优势。三角形介质基板将全模介质基片集成波导逐渐过渡至半模基片集成波导漏波天线。随后，为了控制漏泄波的传播特性并降低天线中的基板损耗，在介质层中通过引入一组直径为dh、周期为sh的铣削圆柱形空气孔，形成部分填充的半模基片集成波导段，之后利用直径为 d、周期为 s的通孔镀铜过孔构成半模基片集成波导的侧壁。最后，所有层通过直径为1.4毫米的对准销和固定件进行组装，以确保足够的电气接触并实现精确对准。

该拓扑结构经过优化，可在宽扫描范围内产生高方向性可 steering 的波束。首先，构建一个全模矩形基片集成波导（SIW），其横截面的宽度和厚度被设计为仅允许其基本准 TE10模式传播。接着，通过将基片集成波导沿中线切开，并从开口侧延伸第3层，实现激发漏泄波的半模基片集成波导（HM-SIW）。然后利用一种主导的慢波非辐射型SIW模式来激励一种快速的空间高阶（n= −1）波，从而实现辐射。这通过在开口波导长度方向上引入周期性结构来实现。随后，在 yz面获得高方向性，在 xz面形成具有频率扫描特性的典型扇形波束。

为了分析该拓扑结构的性能，考虑了沿纵向（y方向）传播的漏泄波模式的复传播常数，其频率为 ω，波数为k y （ω）。漏泄波的色散关系为
$$ k_y(\omega) = \beta_y(\omega) - j\alpha_y(\omega) $$
其中 β y( ω)和 α y( ω)分别为该模式的相位常数和泄漏常数。为将基模准TE 10 模式的截止频率固定在21 GHz，通过[21]中的公式计算得到介质厚度 W s = 1.9 mm，然后通过调节缝间距Δa[18]来调整辐射特性。接下来，空气孔的直径设为d h = 1.1 mm，距开口侧偏移 x h = 0.9 mm。其中心间距等于s h = 1.3 mm，这是Eurocircuits射频池制造工艺中标准印制电路板制造约束所允许的最小值。需要注意的是，这些空气孔参数（d h 、x h 和 s h ）可用于控制波束方向目标频段。然而，它们并不会改变扫描范围。接下来，通过 CST微波工作室对单个单元进行全波仿真并应用布洛赫理论，确定关系式(1)。为了获得期望的辐射功率比例 P%，天线段的物理长度L通过[24]计算得出。
$$ P\% = 100\left{1 - e^{-4\pi(\alpha_y(\omega)/k_0(\omega))(L/\lambda_0(\omega))}\right} $$
其中 k0(ω)为自由空间波数， λ0(ω)为自由空间波长。由此得到由77个单元组成的漏波天线，在不包含馈线段的情况下长度为 L ≈ 8λ，仍保持电尺寸相对较小。

III. 基片集成波导拓扑结构比较

作为对比，还针对指定工作频段设计并优化了DFSIW和 AFSIW技术中的半模漏波天线。DFSIW天线采用单层厚度为0.5毫米的Rogers 4350B基板制成，而AFSIW则通过将一层0.5毫米厚的Rogers 4350B基板与两层1.0毫米厚的FR4基板堆叠，并使用0.4毫米直径、间隔0.8毫米的过孔构成孤立半模空气波导。此外，结构宽度被设定为使主模的截止频率固定在21 GHz。

示意图1

因为在高频下，色散曲线渐近地趋近于该直线。对于介质填充和部分填充结构，色散曲线在有限的频率范围内即可轻松覆盖从宽边到端射的整个频谱范围。这些曲线迅速趋近并超过|βy( ω)/k0(ω)| = 1线。此外，对于部分填充结构，当增大介质宽度Ws与上层导体宽度WHM之比时，扫描范围逐渐扩大。然而，对于空气填充结构，由于横向波数恒定且与频率无关，当波束在频率范围内扫描时，波束宽度保持不变。

设计目标是辐射超过80%的功率，这需要较长的天线孔径以在其整个长度上泄漏所需的功率比例。然而，采用空气填充或部分填充结构可降低介质损耗并提高泄漏率，从而在较短的长度内实现高辐射效率。

为了验证我们提出的部分填充的混合模式基片集成波导漏波天线并展示其潜力，采用标准印制电路板制造工艺设计并制作了三种不同基片集成波导技术下的半模漏波天线原型。表I对比了测量结果。一方面，与介质填充拓扑相比，部分填充的HM-SIW在小尺寸下实现了相当高的辐射效率。另一方面，与空气填充基片集成波导拓扑相比，DFSIW获得了更大的扫描范围。显然，本文所倡导的拓扑结构为其介质填充和空气填充对应结构提供了极佳的替代方案。

表I	在24 GHz下所制备的基片集成波导漏波天线性能比较

技术类型	天线长度 (mm)
--------	---------------
DFSIW	160
AFSIW	80.3
PFSIW	126

IV. 实验验证

部分填充的混合模式基片集成波导漏波天线制作的原型如图3所示。使用安捷伦E8364B PNA微波网络分析仪和西南微波公司的免焊接K型（2.92 mm）端接式连接器测量S参数。天线的远场测量通过NSI-MI球面近场测量系统完成。采用ANT-SGH-22-33标准增益喇叭天线确定天线增益。为了充分比较测量与仿真的天线性能，在所有仿真中均包含了测量连接器的模型。

测得的S参数如图4所示，并附有全波仿真结果。在22至28.9 GHz范围内测得的阻抗带宽为6.9 GHz，从而覆盖了整个[22–26] GHz频段。

图5描绘了22至26 GHz范围内以2 GHz为步长的测得和仿真辐射方向图。主波束角度从38°变化到58°。测得的实际峰值增益和总天线效率分别在13.7至15.7 dBi和95%至80%之间。此外，在24 GHz时，获得12 dB的前后比和10.2°的半功率波束宽度。此外，通过将地平面宽度WGND增大至12 mm，可使前后比提高到18 dB。总体而言，我们观察到仿真与实测辐射方向图之间具有良好的一致性，由于原型具有有限尺寸，其波束方向与无限周期漏波天线略有不同。

最后，在表II中，我们将所提出的部分填充的混合模式基片集成波导漏波天线与公开文献中已报道的拓扑结构进行了比较。

表II	工作在K波段的相控阵天线性能比较
文献	天线类型
------	----------
[7]	斜角偶极子阵列
[8]	微带漏波天线
[9]	罗特曼透镜阵列
[14]	SIW缝隙阵列
本文	PFSIW漏波天线

显然，我们的拓扑结构在保持小尺寸、低剖面以及与低成本标准PCB工艺兼容的同时，实现了较大的阻抗带宽和高天线效率。此外，我们的天线拓扑结构能够在宽角度范围内实现成本有效的频率扫描。

V. 结论

提出了一种基于堆叠式PFSIW技术实现的新型漏波天线。该天线具有优异的性能，包括紧凑尺寸、易于制造、低成本、高效率和宽带宽。测量结果表明，该漏波天线的总天线效率超过80%，最小轴向增益为13.7 dBi，并具备足够的带宽以覆盖[22–26] GHz频段。此外，紧凑的天线占地面积（15×126 mm²）以及高天线与集成平台隔离度，使得该具备波束转向能力的天线非常适合在陆地车辆上无缝安装用于雷达应用。此外，由于主波束在250 MHz带宽范围内扫描时仅偏移1°，因此所提出的天线可应用于调频连续波和脉冲雷达。