1  引言

得益於被稱為“深度學習”dexinyidairengongzhinengruanjianhegengjiakekaoxingnenggenghaodediannaoheyingjianchuanganqi，zaiweilaijishinianli，qichejianghuodeyurenleixiangsidenengli
，zaiwufayucedehuanjingzhongzizhuanquanjiashi
，wurenjiashiqichejiangzhujianqudaiyourenleijiashideputongqiche^[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

應用於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後向，實現盲區監測（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，用於實現自適應巡航（ACC），緊急製動（AEB）等功能。汽車防撞雷達不同功能覆蓋區域如圖1所示：

圖1 防撞雷達波束覆蓋區域示意圖

本文所介紹的波束賦形陣列天線工作在77GHz-79GHz，作為安裝在汽車後向毫米波防撞雷達的一部分
，用於實現BSD，LCA和RCTA功能；相對實現同樣功能工作在24GHz的防撞雷達，工作在77GHz頻pin率lv的de雷lei達da具ju有you更geng高gao的de速su度du探tan測ce精jing度du，更geng遠yuan的de探tan測ce距ju離li，更geng好hao的de目mu標biao探tan測ce分fen辨bian率lv以yi及ji更geng小xiao的de尺chi寸cun
，更geng易yi集ji成cheng在zai後hou保bao險xian杠gang或huo汽qi車che尾wei燈deng中zhong等deng優you勢shi。

3波束賦形陣列天線的設計

3.1串饋微帶貼片陣列天線

微帶天線具有低剖麵，重量輕，便於加工，成本低廉，易於與微波電路集成等優點
；將微帶貼片天線串聯饋電組成駐波線陣，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於貼片天線等效導納

，而等效導納又正比於該貼片的激勵功率；因(yin)此(ci)通(tong)過(guo)並(bing)調(tiao)節(jie)線(xian)陣(zhen)中(zhong)每(mei)個(ge)貼(tie)片(pian)的(de)寬(kuan)度(du)，可(ke)以(yi)改(gai)變(bian)該(gai)天(tian)線(xian)的(de)激(ji)勵(li)功(gong)率(lv)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)線(xian)陣(zhen)激(ji)勵(li)的(de)錐(zhui)削(xue)分(fen)布(bu)，滿(man)足(zu)防(fang)撞(zhuang)雷(lei)達(da)天(tian)線(xian)在(zai)俯(fu)仰(yang)麵(mian)對(dui)於(yu)低(di)副(fu)瓣(ban)的(de)要(yao)求(qiu)。

3.1.2 仿真設計

根據增益與波束寬度的要求確定該串饋微帶貼片線陣單元數為10，副瓣電平小於-20dB
；采用厚度為5mil的RO3003介質基板

，經理論分析與仿真軟件優化。仿真模型如圖4所示

圖4天線仿真模型

天線俯仰麵增益方向圖如圖5所示

圖5 俯仰麵增益方向圖

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所示的麵陣

圖6 麵陣仿真模型

該麵陣用於實現水平麵方向圖的波束賦形。

3.2  PSO粒子群算法優化激勵幅度相位

粒子群的基本概念是來自於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
，粒子群優化算法沒有選擇
、交叉
、變異等複雜過程

，而是依靠個體間的協作來尋取最優解。每個粒子通過跟蹤粒子本身找到的最優解Pbest和群體找到的最優解Gbest，更新離子的位置和速度
，不斷向最優解靠近，最終達到最優解。粒子群算法優化流程圖如圖7所示

圖7 算法優化流程圖

從防撞雷達威力圖提取出波束賦形的目標方向圖，通過PSO優化算法對圖6中陣列天線激勵幅相值得優化，實現對目標方向圖的賦形。在HFSS仿真軟件中輸入粒子群算法優化得到的激勵幅相值
，得到仿真方向圖與目標方向圖如圖8所示

圖8波束賦形方向圖

從圖8可見仿真結果與目標方向圖吻合較好，說明粒子群算法優化出的結果可靠。

3.3功分網絡的設計

3.2節確定了各線陣激勵的幅相值，但圖8裏的仿真方向圖是理想的，現實中需要通過1分6的功分網絡來將其實現。常用的功分器有Wilkinson功分器和T型節功分器；Wilkinson功分器隻能組成並饋網絡，這種網絡具有較大的損耗且占用麵積大，不利於小型化
；而由T型節組成的串饋功分網絡具有損耗低占用麵積小的優勢，更適合於實現3.2節中波束賦形的幅相激勵。

3.3.1理論分析

該串饋網絡依靠阻抗變換段實現波束賦形的激勵幅度
，通過改變輸出饋線的長度實現波束賦形的激勵相位；串饋網絡等效電路如圖9所示

圖9串饋網絡等效電路

圖中Yo為連接功分網絡的串饋線陣等效導納
，Zci為各阻抗變換段的特性阻抗
，Zco為饋線的特性阻抗；串饋網絡輸出端口激勵電流與阻抗有如下的關係^[4]

各端口激勵電流Ii由3.2節優化得到，傳輸線特性阻抗Zco已知，可以求出每節阻抗變換段對應的特性阻抗，從而可以得到該特性阻抗對應的寬度微帶線寬。

3.3.2 仿真設計

功分網絡仿真模型如圖10所示，

圖10功分網絡仿真模型

仿真得到的激勵幅相數據如表1所示

表1 仿真與PSO優化幅相數據

從表1中可以看出，該功分網絡較好的實現了PSO優化出的激勵幅相值。

3.4整體仿真結果

圖10功分網絡與圖6中麵陣連接成如圖11的仿真模型

圖11整體仿真模型

仿真得到的方位麵方向圖與目標方向圖對比如圖12所示

圖12仿真與目標方向圖對比

從圖12可見仿真方向圖在-60°~+36°範圍內與目標方向圖吻合較好，在此範圍之外與目標方向圖略有差異

；這是由於天線對網絡耦合影響了網絡實際輸出的幅度和相位
，仿真方向圖在遠離主波束的角度與目標方向圖有些差異；該仿真方向圖總體可以滿足後向防撞雷達BSD
，LCA，RCTA三種功能應用。

4 結論

本文設計了一種工作在77GHz-79GHz頻段
，用於汽車後向防撞雷達的波束賦形陣列天線
；首先根據雷達對於俯仰麵方向圖高增益低副瓣的需求，設計了串饋貼片線陣，實現了-22.6dB的副瓣電平；然後將6條線陣等間距排布組成麵陣，通過PSO粒子群優化算法優化出可以實現方位麵賦形波束的激勵幅相值
；接著設計了1分6的(de)串(chuan)饋(kui)功(gong)分(fen)網(wang)絡(luo)實(shi)現(xian)了(le)優(you)化(hua)算(suan)法(fa)得(de)到(dao)的(de)激(ji)勵(li)幅(fu)相(xiang)，最(zui)後(hou)將(jiang)網(wang)絡(luo)與(yu)天(tian)線(xian)麵(mian)陣(zhen)連(lian)接(jie)完(wan)成(cheng)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)陣(zhen)列(lie)天(tian)線(xian)的(de)設(she)計(ji)。該(gai)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)陣(zhen)列(lie)仿(fang)真(zhen)方(fang)向(xiang)圖(tu)與(yu)目(mu)標(biao)方(fang)向(xiang)圖(tu)吻(wen)合(he)較(jiao)好(hao)，對(dui)應(ying)用(yong)於(yu)77GHz汽車防撞雷達的賦形天線設計具有一定的參考價值。

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