高文斌
陕西长岭电子科技有限责任公司，陕西宝鸡， 721006
摘要：在车载毫米波雷达设计过程中，其雷达天线是最为关键的组成部分。为了保证在狭小空间下，雷达天线具有较好的探测能力。本文对车载毫米波雷达天线的微带线阵天线与梳形天线的设计进行了分析。在此基础上，为进一步解决车载毫米波雷达天线之间存在的互相干扰耦合问题，分析了车载毫米波雷达天线电磁带隙结构的优化设计形式，并对磁带隙结构的去耦原理进行了分析，通过分析可知，只有将电磁带隙结构谐振频率设计在天线工作频率附近才能起到有效的去耦合作用，解决干扰问题，通过本文分析，可为车载雷达系统的前期设计与研究提供参考，具有一定的工程意义。
关键词：雷达天线；优化设计；微带线阵天线；梳形天线
Optimization design of antenna system for vehicular millimeter wave radar
Abstract: in the design process of vehicle mounted millimeter wave radar, the radar antenna is the most important part. In order to ensure that the radar antenna has better detection ability in the narrow space. In this paper, the design of microstrip line array antenna and comb antenna for vehicle mounted millimeter wave radar antenna is analyzed. On this basis, in order to further solve the problem of mutual interference and coupling between vehicle mounted millimeter wave radar antennas, the optimal design form of electromagnetic band gap structure of vehicle mounted millimeter wave radar antenna is analyzed, and the decoupling principle of tape gap structure is analyzed. Through analysis, it can be seen that only when the resonant frequency of electromagnetic band gap structure is designed near the antenna working frequency can it be effective Through the analysis of this paper, it can provide a reference for the early design and research of vehicle borne radar system, which has a certain engineering significance.
Key words: radar antenna; optimal design; microstrip linear array antenna; comb antenna
0引言
毫米雷达作为安全驾驶的辅助系统被广泛应用在汽车行业中，其工作方式是通过调节连续波以及对回波信号进行处理的方式来计算车的速度、距离以及角度等相关信息。在车载毫米波雷达中，其雷达天线是最为关键的组成部分，其性能的好坏关乎到车载毫米波雷达的准确性，同时为了保证在狭小空间下，雷达天线具有较好的探测能力，其天线的设计需要小型化的同时具有较高的增益与隔离度，这对天线的设计造成了较大的难度对此，本文对车载雷达系统中的天线进行优化设计分析，这可为车载雷达系统的前期设计与研究提供参考，具有一定的工程意义
1 车载毫米波雷达
1.1车载毫米雷达介绍
通常，雷达是指通过发射无线电波来探测目标以及获取目标位置的仪器设备，毫米波指的是雷达设备所发出的无线电波的波长。因此车载是雷达搭载在汽车平台上。在实际工作过程中，毫米波雷达与其他雷达形式相比，其具有更好的环境适应性，并且其探测的距离更远、测向能力更强，可实现多目标的探测。
毫米波雷达系统从其结构组成上来讲，主要包含底座保护壳、电路板、射频屏蔽腔、天线板以及天线罩五部分组成。毫米波雷达系统在工作过程中，其电磁波的波长在1-10mm之间，因此雷达天线在设计过程中，要在较小的口径界面上设计出满足工作需求的雷达天线。
1.2载毫米波雷达工作原理
目前，常用的雷达多为脉冲体制雷达，其通过计算回波信号来得到相关的信息数据。在汽车行业中，由于汽车在行驶过程中，其前方车辆与自身之间的距离相对较短，如果采用通用的脉冲雷达，将会产生较大误差。同时车辆在行驶过程中，需要高速度分辨率，对此车载雷达需要新型技术来解决这一问题，目前最常用的技术是线性调频波。其波的形式如图1所示，其是通过将一连串的锯齿波作为整体进行，在行业内，将其称作为快扫体制，快扫体制使得汽车雷达在工作中具有较高的距离以及速度分辨率，同时车载雷达通过相应的后端信号处理算法，可实现多目标的跟踪，并且具有较高的精度。此外，车载雷达在工作过程中，其主要是通过雷达天线来计算目标车辆的角度信息。其最常用的方法为干涉仪测角法，该方法是通过比较不同天线接收到的回波信号来判断目标的角度。在获取得到距离，角度以及速度数据后，采用相应的数据处理算法，便可得到车的偏离以及车道保持情况，从而保证车辆行驶过程中的安全。
2.车载毫米波雷达天线的设计与优化
2.1车载毫米波雷达天线的设计
车载毫米波雷达天线的设计的最初形式为采用抛物面天线。随着电子电路的小型化和高集度成，微带天线作为量轻、成本低、易于制造的薄平面结构，被设计出来，其更适用于车辆领域。传统的串馈微带线阵天线辐射单元采用矩形贴片，并在贴片中间进行馈电。由于需要保证每个辐射单元的激励电流相位相同，因此相邻两个辐射贴片中心位置间距为一个波长。其形式如图2所示。
图2 传统微带线阵天线图
在传统的微带线阵天线的基础上，为了优化天线设计尺寸，实现车载毫米波雷达小型化设计，梳形天线用来设计车载毫米波雷达天线的设计理念被提出，其结构形式如图3所示，梳形天线在设计上其特点是辐射贴片交叉分布于馈线两侧，相邻两个辐射贴片上电流本身是反相的，因此只需要使单元间隔距离半个波长就可以保证相邻辐射贴片电流同相。由于梳形天线独特的结构，大大地减少馈线长度，实现车载毫米波雷达天线小型化设计。
图3 梳形天线示意图
2.2 车载毫米波雷达天线去耦技术
车载毫米波雷达天线在实际工作过程中，收发天线之间存在的互相干扰耦合问题，会导致车载毫米波雷达接收机噪声升高，使远距离目标的反射信号被淹没于噪声中，所以，在车载毫米波雷达天线的设计过程中，对天线之间的隔度进行优化设计，是车载毫米波雷达天线设计中需要重点考虑的问题。提高天线隔离度本质在于减少天线之间的能量和，所以最简单有效的方法就是增加天线之间的空间距离。但是这种方法在车载毫米波雷达天线系统不适用，因此，车载毫米波雷达天线电磁带隙结构的形式被提出，其主要是通过高阻抗特性来抑制表面波在介质中的传播,实现去耦合效果。
电磁带隙结构周期一个波长下，可采用等效电路模型来分析去耦原理，通过表面阻抗这表征电磁带隙结构高阻抗特性。如图4示为电磁带隙结构，将连接金属片的接地孔看作为电感，金属周期单元之间的缝隙看作为电容，可等效为一个并联ＬＣ谐振回路。其表面阻抗计算方式如下。
(1)
图4 电磁带隙结构
从公式（１）中可知，阻抗随频率的变化呈现不同的状态：高频段时，表面阻抗表现为容性；低频段时，表面阻抗表现为感性；而电磁带隙结构只有工作在谐振频率时,表面阻抗为无穷大，呈现高阻抗状态。因此,在高阻抗状态的电磁带隙结构能抑制表面波传输，改善天线之间的隔离度。因此将电磁带隙结构谐振频率设计在天线工作频率附近才能起到有效的去耦合作用。
3 小结
毫米波雷达通调节连续波以及对回波信号进行处理的方式来计算车的速度、距离以及角度等相关信息。在车载毫米波雷达中，其雷达天线是最为关键的组成部分，本文对车载雷达系统中的天线进行优化设计分析，介绍了微带线阵天线与梳形天线设计形式，对磁带隙结构的去耦原理进行了分析，分析结果表明，电磁带隙结构谐振频率只有设计在天线工作频率附近才能起到有效的去耦合作用。通过本文分析，可为车载雷达系统的设计与研究提供参考，具有一定的工程意义。
参考文献
【1】周刚, 吴杰. 汽车防撞毫米波雷达系统参数优化设计[J]. 电讯技术, 2011.
【2】袁钻兴. 77GHz车载雷达的研究与设计[D]. 2020.
【3】曹孟德, 张铖, 黄永明,等. FMCW车载毫米波雷达空时码信号处理方案[J]. 雷达科学与技术, 2019(5).
【4】张杰. 一种提高车载毫米波雷达天线隔离度的方法[J]. 价值工程, 2019.