【導讀】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(xiàn)雷達俯仰面低副瓣方向圖；通過PSO優(yōu)化算法優(yōu)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(wǎng)絡實現(xiàn)對該波束賦形陣列天線的饋電；最后將功分網(wǎng)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(huán)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(xiàn)盲區(qū)監(jiān)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(xiàn)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(qū)域如圖1所示：
圖1 防撞雷達波束覆蓋區(qū)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(xiàn)BSD，LCA和RCTA功能；相對實現(xiàn)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(yōu)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(yōu)點；將微帶貼片天線串聯(lián)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(chǎn)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(lián)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(jié)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(xiàn)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(jù)增益與波束寬度的要求確定該串饋微帶貼片線陣單元數(shù)為10，副瓣電平小于-20dB；采用厚度為5mil的RO3003介質基板，經(jīng)理論分析與仿真軟件優(yōu)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(xiàn)水平面方向圖的波束賦形。
3.2 PSO粒子群算法優(yōu)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(yōu)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(xié)作來尋取最優(yōu)解。每個粒子通過跟蹤粒子本身找到的最優(yōu)解Pbest和群體找到的最優(yōu)解Gbest，更新離子的位置和速度，不斷向最優(yōu)解靠近，最終達到最優(yōu)解。粒子群算法優(yōu)化流程圖如圖7所示
圖7 算法優(yōu)化流程圖
