摘 要

毫米波天线已经被广泛应用于雷达系统，本文提出了一种具有新型环形馈电网络、采用双端口差分模式进行馈电的77 GHz毫米波雷达天线。该天线的馈电结构借鉴了原有文献中差分馈电的设计。在天线贴片的设计上，采用天线曲流技术,在贴片内部开环形槽。设计中所使用的仿真软件为CST STUDIO SUITE，笔者分别针对天线的馈电网络、贴片中的参数进行仿真，并根据仿真结果中天线的谐振频点、增益、反射系数、阻抗匹配和辐射方向图样对天线进行优化，并将优化改进后得到的天线组成阵列的形式。最终所实现的天线在76.5 GHz的工作增益为10.05 dBi，反射系数-48 dB，主瓣方向角约为50 °，相比于验证论文中天线的增益和反射系数都有一定的优化。研究结果表明，该设计所得到的77 GHz频段附近的天线，可以被用于100 m左右的信息传输如汽车雷达领域中。

关键词：毫米波雷达；贴片天线；微带传输线；差分馈电

Abstract

Millimeter wave antenna has been widely used in radar systems. This article proposes a novel annular feed network, which is exclusively used in millimeter wave radar antenna at 77 GHz , with the differential feed structure. The differential feed structure is referred from the original design in the literature. By means of groove on the surface of the patch, meandering is necessary in the design of the patch. CST STUDIO SUITE, a commercial 3D full wave Time domain solver were employed in the design simulation and optimization. The author realized the simulation with regard to the parameter of patch and the circular microstrip line, respectively. According to the results of the simulation, the antenna is optimized further. Finally the antenna achieves 10.05 dBi of the gain,and the reflection coefficient is -48dB at 76.5 GHz. Direction angle of main lobe is approximately 50 degrees. Compared to the antenna in the paper, both of the gain and the reflection coefficient are optimized in the proposed design. The results show that the antenna can be used in the vicinity at 77 GHz band, especially in the field of medium range information transmission.

Keywords: millimeter wave radar; patch antenna; microstrip line; differential feed

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 项目的背景及意义 1

1.2 工作在77 GHz天线在国内外研究现状 2

1.3 本文的研究内容及结构 3

第2章 毫米波微带天线原理及设计方法 5

2.1 微带传输线 5

2.1.1 微带线的传输模式 5

2.1.2 微带线的传输特性 6

2.1.3 微带线的衰减和损耗 7

2.1.4 微带线的色散特性与尺寸限制 8

2.2 微带贴片辐射单元 8

2.2.1 贴片的辐射机理 8

2.2.2 贴片的参数设计 8

2.3 天线的性能参数 9

2.3.1 阻抗特性 9

2.3.2 反射系数 10

2.3.3 增益和方向系数 10

2.3.4 极化 11

2.4 设计方法 11

2.4.1 差分馈电 11

2.4.2 曲流技术 11

2.5 本章小结 12

第3章 天线的仿真验证 13

3.1 软件使用介绍 13

3.2 仿真结果验证与分析 13

3.2.1 建立模型 13

3.2.2 仿真结果验证 20

3.3 本章小结 23

第4章 环状差分天线阵列的优化设计 24

4.1 基于环形馈电网络的差分天线阵列 24

4.2 基于环形馈电网络的开槽差分天线阵列 26

4.3 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1 工作总结 30

5.2 未来展望 30

参考文献 32

致 谢 34

第1章 绪 论

1.1 项目的背景及意义

随着高速汽车的普及和毫米波段雷达的发展，应用于汽车的毫米波雷达应运而生^[1-2]。汽车雷达的出现，大大地降低了交通安全事故的发生概率，保障了形成的安全。但就目前的形势来看，汽车雷达技术尚未成熟，尤其是在最远测距的要求上还不能完全令人满意。此外，安装在车体上的汽车雷达，其探测可覆盖的角度也较窄，仅仅针对于前后方向的测量，并不能为行车安全提供全方位的保障^[3]。汽车雷达加装后的探测效果如图1.1所示。

图1.1 汽车雷达工作示意图

就毫米波自身特性而言，相比于光波，其在空气中传播时，传播衰减小，受到自然光和热辐射的影响也较小^[4]。其次，大气对电磁波的选择性吸收，充分扩大了毫米波在大气中传播的频谱带宽，使毫米波雷达探测领域中的高精度和高分辨率得以实现。应用于雷达的毫米波天线的口径和体积也较小，有益于集成的优点。77 GHz包含于毫米波的超高频波段内，具有毫米波的优良特性。毫米波在大气中衰减的极值出现在60 GHz和119 GHz频点，相比于60 GHz频点附近的毫米波，77 GHz频点在传播中受到大气分子的影响较小，衰减强度较小，更加有利于信号在中距或较长距离范围内的传输^[5]，氧气和水分子对电磁波的吸收谱如图1.2所示；77 GHz的毫米波波长极短，其测量的精度与波长的整数倍可比拟，其高精度和高分辨率大大地满足了人们对测量需求。