基于毫米波微帶天線設(shè)計(jì)的射頻電路實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新的射頻電路設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目———可用于無(wú)人機(jī)高度測(cè)量的毫米波雷達(dá)微帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)讓學(xué)生完成該天線的自主設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化、制作和測(cè)試的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生來(lái)深入體會(huì)實(shí)際射頻工程中的實(shí)際流程和方法，從而提高其學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而進(jìn)一步培養(yǎng)其工程素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

引言

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，電子系統(tǒng)工作頻率正逐步向更高頻段發(fā)展，微波與射頻技術(shù)在無(wú)線通信、導(dǎo)航、遙感和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，射頻工程專業(yè)人才十分緊缺 。

“射頻電路”是“高頻電子線路”、“微波技術(shù)”等課程的后續(xù)課程，它作為通信工程、電子工程、電波傳播與天線等專業(yè)的主干課程，其目的是讓學(xué)生通過(guò)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐，能夠掌握相關(guān)的基本原理和系統(tǒng)知識(shí)，培養(yǎng)具有射頻電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析和創(chuàng)新能力的微波射頻專業(yè)人才 。

實(shí)踐教學(xué)對(duì)于射頻微波工程人才的培養(yǎng)具有舉足輕重的作用，僅靠傳統(tǒng)的射頻實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足要求，因此很多高校針對(duì)電子信息類射頻電路實(shí)踐教學(xué)遇到的問(wèn)題展開了一系列的探索和研究。在傳統(tǒng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，ADS( Advanced Design System) 、Multisim、HFSS( High Frequency Structure Simulator) 、MWO( Micro-wave Office) 等仿真軟件被部分高校引入到射頻電路的實(shí)踐教學(xué)中 。部分高校還進(jìn)行了綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的嘗試，收到良好的教學(xué)效果 。結(jié)合近幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況，我們也進(jìn)行了積極的嘗試，在已有的仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我院相關(guān)專業(yè)的科研成果，進(jìn)行設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的探索與開發(fā)。

在項(xiàng)目?jī)?nèi)容的選擇上，旨在將專業(yè)應(yīng)用前景和當(dāng)前技術(shù)水平相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一些既貼近科研又能夠滿足機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)起來(lái)難易適中等要求的項(xiàng)目，這樣才能讓學(xué)生感興趣并取得好的教學(xué)效果。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、快遞運(yùn)輸、災(zāi)難救援、測(cè)繪等領(lǐng)域的得到了廣泛應(yīng)用。在無(wú)人機(jī)測(cè)高避障安全領(lǐng)域中，毫米波雷達(dá)以全天時(shí)全天候工作，作用距離遠(yuǎn)，抗干擾性好等優(yōu)勢(shì)受到青睞。在無(wú)人機(jī)的底部、前側(cè)方和后側(cè)方裝配高精度毫米波雷達(dá)，完成高精度的高度測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)懸停、高度調(diào)節(jié)、地形跟蹤、輔助起飛降落等功能，這是目前業(yè)界正采用的有效方案，具有廣泛的應(yīng)用前景和較高的應(yīng)用價(jià)值 。因此，本文選取可用于無(wú)人機(jī)高度測(cè)量的毫米波雷達(dá)天線設(shè)計(jì)作為一個(gè)新的射頻電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，應(yīng)用場(chǎng)合清晰，工程性強(qiáng)，難易度適中，學(xué)生們也比較感興趣。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目讓學(xué)生通過(guò)該天線的理論設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化、實(shí)物制作和測(cè)試的過(guò)程，最終設(shè)計(jì)并制作出符合指標(biāo)要求的微帶天線，從而深入體會(huì)實(shí)際射頻工程中的方法和流程，在實(shí)踐過(guò)程中提高其工程素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，進(jìn)而達(dá)到全面提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮O(shè)計(jì)目標(biāo)

1. 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

鑒于毫米波雷達(dá)在無(wú)人機(jī)測(cè)高領(lǐng)域中的重要地位，而天線的指標(biāo)及性能決定了毫米波雷達(dá)的監(jiān)測(cè)能力?；卺槍?duì)無(wú)人機(jī)高度計(jì)對(duì)于天線工作帶寬、駐波比、天線方向圖增益和副瓣電平等的指標(biāo)要求，讓學(xué)生設(shè)計(jì)出一款增益高、副瓣低、波束角窄的無(wú)人機(jī)高度計(jì)天線，項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程重點(diǎn)包括輻射單元的設(shè)計(jì)、陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、天線綜合方法和阻抗匹配等。

1. 2 天線指標(biāo)要求

無(wú)人機(jī)高度計(jì)雷達(dá)不需要測(cè)障礙物方位角，只需要把距離最近的障礙物的距離信息測(cè)量出來(lái)即可，所以可以采用單發(fā)單收形式。結(jié)合無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景和 K 波段毫米波雷達(dá)主流射頻芯片的指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的天線指標(biāo)如下:

●工作頻率: 24 GHz ～24. 25 GHz;

●工作頻率范圍內(nèi)的駐波比: ρ 小于 1. 5;

●增益: 大于 10 dB;

●E 面副瓣電平: 小于 -18 dB;

●E 面半功率波束角: 小于 30°。

微帶天線具有剖面低、體積小、重量輕、易共形、可集成化等特點(diǎn)，各種不同形式的微帶陣列天線被廣泛應(yīng)用于毫米波雷達(dá) 。本實(shí)驗(yàn)也要求學(xué)生選擇微帶天線的形式來(lái)完成設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，首先要根據(jù)具體指標(biāo)選擇合適的板材，然后是對(duì)天線尺寸、饋電等的初步設(shè)計(jì)，再利用仿真軟件進(jìn)行輻射單元建模仿真和陣列設(shè)計(jì)，最后是實(shí)物加工和測(cè)試。

2. 1 板材選擇

PCB 板材選擇主要考慮三個(gè)因素: 板材厚度 h，相對(duì)介電常數(shù) ε r ，正切損耗 tanδ。板厚一般小于0. 1λ 0 ，出于增加工作帶寬的考慮，一般選擇較厚的板材，但如果板材過(guò)厚，會(huì)影響天線輻射效率。此外，相對(duì)介電常數(shù)越低，工作帶寬越大。Ro4350b 板材是 K 波段天線的常用板材，電路設(shè)計(jì)推薦參數(shù)為: 相對(duì)介電常數(shù) 3. 66，正切損耗 0.004，板厚選擇 0. 508 mm。

2. 2 輻射單元設(shè)計(jì)

1) 天線單元的尺寸理論計(jì)算

2) 饋電方式選擇

饋電方式選擇微帶線側(cè)饋方式。在饋線與輻射單元接觸點(diǎn)處開兩個(gè)矩形槽，用于阻抗匹配，如圖 1( a) 所示，矩形槽深度 L 1 約等于貼片長(zhǎng)度的三分之一，寬度 W 1 通過(guò)優(yōu)化得出。

3) 輻射單元仿真

利用 HFSS 軟件建立仿真三維模型，輻射單元三維模型如圖 1( b) 所示。一般情況下初始仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)都有偏差，需要分析偏差原因，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。通過(guò)仿真優(yōu)化，得出: W = 3. 7 mm，L = 3mm，W 1 =0. 32 mm，L 1 =0. 76 mm。

圖 1 輻射單元

輸入端口駐波比和反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖 2 所示，從仿真結(jié)果可知，在 24. 125 GHz 處的 S 11 參數(shù)為-39. 64 dB，駐波比為 1. 02; 在 23. 75 GHz ～24. 49GHz 駐波比小于 1. 5，滿足要求。輻射單元的方向圖仿真結(jié)果如圖 3 所示，單元增益為 6. 83 dBi。對(duì)比設(shè)計(jì)指標(biāo)和輻射單元的仿真結(jié)果，可以看出單天線增益和波束寬度均無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，需要用天線陣列來(lái)完成設(shè)計(jì)。

圖 2 輻射單元輸入端口仿真結(jié)果

圖 3 輻射單元方向圖仿真結(jié)果

2. 3 天線陣列設(shè)計(jì)

1) 天線形式確定

上式中，λ 0 為中心頻率處的真空波長(zhǎng); f x 和 σ x為波束展寬因子; d 為輻射單元間距; N 為輻射單元數(shù)，α m 為最大輻射方向與平面陣元之間的夾角。為滿足單元副瓣抑制條件，單元間距 d 必須小于波長(zhǎng)λ 0 ，適當(dāng)縮小單元間距可以更好實(shí)現(xiàn)陣列天線的小型化，相應(yīng)的會(huì)增大波束角，所以單元間距 d 選擇 6mm。根據(jù)天線指標(biāo) E 面半功率波束角小于 30 度，算得 N 需要大于 3. 52。結(jié)合仿真所得的單個(gè)貼片單元的幅度方向圖增益和天線指標(biāo)增益要求，輻射單元數(shù)至少有 4 個(gè)。綜合考慮這兩點(diǎn)，可選擇 4 元輻射單元。

此外，為抑制副瓣，輻射單元的饋電幅度采用泰勒加權(quán)的方式。根據(jù)天線指標(biāo)副瓣電平小于 - 18dB，為保留設(shè)計(jì)余量，將副瓣電平 SLL 設(shè)為 - 20dB，算得泰勒權(quán)值為 I 1 : I 2 等于 1: 0. 6339。

2) 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

陣列天線示意圖如圖 4( a) 所示，根據(jù)該示意圖可以畫出右邊兩個(gè)輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)的等效電路，如圖 4( b) 所示，其中 Y 0 為輻射單元輸入導(dǎo)納，Z c0 為微帶線特性阻抗，Z c1 和 Z c2 為 90°電長(zhǎng)度阻抗變換器的特性阻抗，Y 2 ’和 Y 2 為節(jié)點(diǎn)處輸入導(dǎo)納，I 1和 I 2 為兩個(gè)輻射單元的電流幅度。

圖 4 天線陣示意圖

3) 陣列天線仿真按照?qǐng)D 4( a) 的天線示意圖進(jìn)行建模，得到陣列天線三維模型如圖 5 所示。

圖 5 天線陣 HFSS 模型

輸入端口仿真結(jié)果如圖 6 所示，在中心頻率24. 125 GHz 的 S 11 參數(shù)為 - 34. 46 dB，駐波比為 1.04; 在24 GHz 和24. 25 GHz 頻點(diǎn)上的駐波比分別為1. 24 和 1. 22，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖 6 天線陣輸入端口仿真結(jié)果

圖 7 天線陣方向圖仿真結(jié)果

天線在 24. 125 GHz 上的方向圖仿真結(jié)果如圖7 所示，增益為12. 12 dBi，E 面副瓣電平優(yōu)化后達(dá)到-18. 35 dB，E 面 - 3dB 波束寬度為 27°，H 面 - 3dB 波束寬度為 68°，滿足設(shè)計(jì)要求。

2. 4 天線加工與測(cè)試

天線仿真完畢后，用 AD09 軟件制作 PCB 工程文件，即可加工制版，學(xué)生設(shè)計(jì)完成的一個(gè)天線實(shí)物如圖 8 所示。輸入端口采用 2. 92 mm 的射頻接頭，探針直徑為 0. 3 mm。

圖 8 天線實(shí)物

測(cè)試包括天線駐波比測(cè)試和方向圖測(cè)試兩部分。其中，駐波比測(cè)試是利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成，天線方向圖測(cè)試，需要在微波暗室內(nèi)進(jìn)行，成本較高而且耗時(shí)很長(zhǎng)，因此測(cè)試時(shí)應(yīng)選擇個(gè)別仿真和反射系數(shù)結(jié)果較好的天線進(jìn)行測(cè)試。

圖 8 對(duì)應(yīng)的學(xué)生設(shè)計(jì)出來(lái)的天線端口測(cè)試結(jié)果見表 1 和圖 9，從圖中可見在工作頻率范圍內(nèi)，天線輸入駐波比均在 1. 5 以下，滿足要求。

表 1 高度計(jì)天線輸入端口測(cè)試結(jié)果

圖 9 天線駐波比 S 11 參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果

該天線實(shí)測(cè)方向圖如圖 10 所示，在 24. 125GHz 處，E 面 - 3 dB 波束角為 28°，副瓣電平為 -18. 94 dB; H 面 -3 dB 波束角為 65°，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖 10 天線實(shí)測(cè)幅度方向圖

3 結(jié)語(yǔ)

在教育部當(dāng)前開展新工科研究與實(shí)踐的背景下，我們開展了射頻電路設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的探索，開發(fā)了用于無(wú)人機(jī)高度測(cè)量的毫米波雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)緊跟學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展前沿，內(nèi)容涵蓋的知識(shí)點(diǎn)多，將微波技術(shù)、射頻電路和天線原理等方面的知識(shí)有機(jī)融合，通過(guò)一個(gè)完整而又系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，模擬解決實(shí)際工程問(wèn)題的研發(fā)步驟，讓學(xué)生獲得更多的探索體驗(yàn)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。目前該設(shè)計(jì)已通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)和大學(xué)生科研等形式試運(yùn)行，學(xué)生反映良好，收到不錯(cuò)效果，下一步將考慮以一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者課程設(shè)計(jì)的方式引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。