根據筆者的設計經驗，國內外廠商常用的24GHz天線形式有微帶陣列天線、喇叭天線、介質基片集成波導天線（SIW）以及透鏡天線。綜合考慮雷達傳感器體積和製造成本
，商用領域最流行的天線形式是微帶天線。微帶天線印刷在高頻PCB上
，借助於成熟的PCB加工工藝，設計廠商可以最大程度的減小成本。

 

 

圖1：采用RO4350B板材的24GHz微帶陣列天線

 

極化方式是表征電磁波的一個重要參數
，由雷達天線決定。常用極化方式有線極化和圓極化兩種。線極化又分為垂直極化、水(shui)平(ping)極(ji)化(hua)和(he)斜(xie)極(ji)化(hua)。雷(lei)達(da)天(tian)線(xian)極(ji)化(hua)方(fang)式(shi)不(bu)同(tong)
，會(hui)導(dao)致(zhi)目(mu)標(biao)反(fan)射(she)回(hui)波(bo)的(de)幅(fu)度(du)和(he)相(xiang)位(wei)特(te)性(xing)不(bu)同(tong)，進(jin)而(er)影(ying)響(xiang)雷(lei)達(da)的(de)探(tan)測(ce)靈(ling)敏(min)度(du)。因(yin)此(ci)，研(yan)究(jiu)目(mu)標(biao)散(san)射(she)特(te)性(xing)對(dui)雷(lei)達(da)天(tian)線(xian)設(she)計(ji)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)指(zhi)導(dao)意(yi)義(yi)。筆(bi)者(zhe)以(yi)電(dian)力(li)巡(xun)線(xian)無(wu)人(ren)機(ji)為(wei)應(ying)用(yong)背(bei)景(jing)，先(xian)對(dui)高(gao)壓(ya)線(xian)的(de)散(san)射(she)特(te)性(xing)進(jin)行(xing)了(le)研(yan)究(jiu)。為(wei)了(le)探(tan)究(jiu)電(dian)力(li)線(xian)對(dui)不(bu)同(tong)線(xian)極(ji)化(hua)入(ru)射(she)波(bo)的(de)散(san)射(she)特(te)性(xing)，通(tong)過(guo)仿(fang)真(zhen)方(fang)法(fa)對(dui)高(gao)壓(ya)線(xian)在(zai)24GHz的散射特性進行分析。

 

首先建立仿真模型，用圖2所示細長圓柱形導體模擬電力線，圓柱體線徑設為R_wire，長度設為20λ0。設she置zhi入ru射she平ping麵mian波bo用yong於yu模mo擬ni雷lei達da發fa射she天tian線xian發fa射she的de電dian磁ci波bo。在zai入ru射she源yuan位wei置zhi設she置zhi場chang感gan應ying器qi，用yong於yu模mo擬ni雷lei達da接jie收shou天tian線xian接jie收shou電dian力li線xian反fan射she波bo。入ru射she波bo極ji化hua方fang向xiang與yu電dian力li線xian延yan伸shen方fang向xiang的de夾jia角jiao為weiΦ_step。

 

圖2：電力線模型

 

使用基於有限元方法的高頻仿真軟件進行仿真。固定線徑R_wire為0.67λ0，分析水平極化和垂直極化方式下RCS（雷達散射截麵）隨Φ_step變化趨勢。從圖3所示結果中可以看出
，當入射波極化方向和電力線延伸方向由平行變化到垂直（Φ_step由0°變化到90°）時，RCS逐漸增加，但變化值在0.6dB以內。固定Φ_step為0°，分析水平極化和垂直極化方式下RCS隨R_wire變化趨勢。從圖4所示結果中可以看出，兩種極化方式下的RCS都隨R_wire增加而變大。當R_wire小於0.5λ0時，兩種方式下的RCS變化曲線呈交替上升狀態
，但是變化值在1.5dB以內。當R_wire大於0.5λ0時
，垂直極化的RCS要大於水平極化，變化值在0.6dB以內。

 

圖3：不同極化方式下RCS隨Φ_step變化趨勢

 

圖4：不同極化方式下RCS隨R_wire變化趨勢

 

基於上述仿真結果得出結論：在天線參數（匹配、增益、方向圖）和射頻互連一致的條件下
，K波段雷達天線的極化方式應優先選擇垂直極化方式。筆者采用RO4350B板材設計了圖5所示的兩種24GHz微帶天線陣列
，兩種方案均為垂直極化方式。圖示陣列均為1×4，工作頻率可以覆蓋24GHz ISM帶寬，-3dB波束寬度約為70°×25°
，垂直麵的副瓣電平為-16dB。方案2所示天線已應用於實際產品。當然
，不同應用場景需要考慮不同的極化方式
，筆者僅僅提供一個設計思路。

 

圖5：采用RO4350B設計的垂直極化微帶陣列天線

 

筆者使用RO4350B板材設計了大量24GHz的微帶天線陣列
、微帶功分器、匹配網絡以及混頻網絡


，既有簡單的雙麵板
，也有複雜的多層混壓板。在PCB加工廠使用標準的FR4加工工藝即可進行加工
，物料成本和加工成本都能得到很好的控製。

 

 

RO4350B最吸引人的是其優異的高頻性能，它不僅在寬頻帶內具有穩定的介電常數，而且具有極低的損耗係數，足以應付24GHz微波雷達對天線增益和微波傳輸損耗的設計需求，是業界最具競爭力的低損耗高頻板材。此外，Rogers公(gong)司(si)為(wei)工(gong)程(cheng)師(shi)提(ti)供(gong)了(le)精(jing)準(zhun)的(de)微(wei)帶(dai)線(xian)設(she)計(ji)工(gong)具(ju)和(he)大(da)量(liang)實(shi)測(ce)應(ying)用(yong)數(shu)據(ju)，這(zhe)使(shi)得(de)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)能(neng)夠(gou)大(da)幅(fu)縮(suo)短(duan)，筆(bi)者(zhe)一(yi)般(ban)通(tong)過(guo)兩(liang)個(ge)版(ban)本(ben)迭(die)代(dai)就(jiu)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)設(she)計(ji)指(zhi)標(biao)。

 

 

 

 

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