摘要： 本文設(shè)計了一個新的射頻電路設(shè)計性實驗項目———可用于無人機(jī)高度測量的毫米波雷達(dá)微帶天線的設(shè)計與實現(xiàn)。該實驗項目通過讓學(xué)生完成該天線的自主設(shè)計、仿真、優(yōu)化、制作和測試的過程，引導(dǎo)學(xué)生來深入體會實際射頻工程中的實際流程和方法，從而提高其學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而進(jìn)一步培養(yǎng)其工程素質(zhì)、實踐能力和創(chuàng)新精神。

引言

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，電子系統(tǒng)工作頻率正逐步向更高頻段發(fā)展，微波與射頻技術(shù)在無線通信、導(dǎo)航、遙感和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，射頻工程專業(yè)人才十分緊缺 。“射頻電路”是“高頻電子線路”、“微波技術(shù)”等課程的后續(xù)課程，它作為通信工程、電子工程、電波傳播與天線等專業(yè)的主干課程，其目的是讓學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)和實踐，能夠掌握相關(guān)的基本原理和系統(tǒng)知識，培養(yǎng)具有射頻電路設(shè)計、系統(tǒng)分析和創(chuàng)新能力的微波射頻專業(yè)人才 。實踐教學(xué)對于射頻微波工程人才的培養(yǎng)具有舉足輕重的作用，僅靠傳統(tǒng)的射頻實驗箱來完成一些驗證性實驗已經(jīng)不能滿足要求，因此很多高校針對電子信息類射頻電路實踐教學(xué)遇到的問題展開了一系列的探索和研究。在傳統(tǒng)的測量實驗的基礎(chǔ)上，ADS（ Advanced Design System） 、Multisim、HFSS（ High Frequency Structure Simulator） 、MWO（ Micro-wave Office） 等仿真軟件被部分高校引入到射頻電路的實踐教學(xué)中 。部分高校還進(jìn)行了綜合實驗項目的嘗試，收到良好的教學(xué)效果 。結(jié)合近幾年的實驗教學(xué)情況，我們也進(jìn)行了積極的嘗試，在已有的仿真設(shè)計實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我院相關(guān)專業(yè)的科研成果，進(jìn)行設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗項目的探索與開發(fā)。在項目內(nèi)容的選擇上，旨在將專業(yè)應(yīng)用前景和當(dāng)前技術(shù)水平相結(jié)合，設(shè)計出一些既貼近科研又能夠滿足機(jī)理相對簡單、實現(xiàn)起來難易適中等要求的項目，這樣才能讓學(xué)生感興趣并取得好的教學(xué)效果。近年來，無人機(jī)在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、快遞運輸、災(zāi)難救援、測繪等領(lǐng)域的得到了廣泛應(yīng)用。在無人機(jī)測高避障安全領(lǐng)域中，毫米波雷達(dá)以全天時全天候工作，作用距離遠(yuǎn)，抗干擾性好等優(yōu)勢受到青睞。在無人機(jī)的底部、前側(cè)方和后側(cè)方裝配高精度毫米波雷達(dá)，完成高精度的高度測量，從而實現(xiàn)無人機(jī)精準(zhǔn)懸停、高度調(diào)節(jié)、地形跟蹤、輔助起飛降落等功能，這是目前業(yè)界正采用的有效方案，具有廣泛的應(yīng)用前景和較高的應(yīng)用價值 。因此，本文選取可用于無人機(jī)高度測量的毫米波雷達(dá)天線設(shè)計作為一個新的射頻電路實驗項目，其可設(shè)計性強(qiáng)，應(yīng)用場合清晰，工程性強(qiáng)，難易度適中，學(xué)生們也比較感興趣。該實驗項目讓學(xué)生通過該天線的理論設(shè)計、仿真與優(yōu)化、實物制作和測試的過程，最終設(shè)計并制作出符合指標(biāo)要求的微帶天線，從而深入體會實際射頻工程中的方法和流程，在實踐過程中提高其工程素質(zhì)、實踐能力和創(chuàng)新精神，進(jìn)而達(dá)到全面提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

1 實驗?zāi)康暮驮O(shè)計目標(biāo)

1．1 實驗?zāi)康?/p>

鑒于毫米波雷達(dá)在無人機(jī)測高領(lǐng)域中的重要地位，而天線的指標(biāo)及性能決定了毫米波雷達(dá)的監(jiān)測能力。基于針對無人機(jī)高度計對于天線工作帶寬、駐波比、天線方向圖增益和副瓣電平等的指標(biāo)要求，讓學(xué)生設(shè)計出一款增益高、副瓣低、波束角窄的無人機(jī)高度計天線，項目設(shè)計過程重點包括輻射單元的設(shè)計、陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、天線綜合方法和阻抗匹配等。

1．2 天線指標(biāo)要求

無人機(jī)高度計雷達(dá)不需要測障礙物方位角，只需要把距離最近的障礙物的距離信息測量出來即可，所以可以采用單發(fā)單收形式。結(jié)合無人機(jī)的應(yīng)用場景和 K 波段毫米波雷達(dá)主流射頻芯片的指標(biāo)，實驗項目中所設(shè)計的天線指標(biāo)如下：

●工作頻率： 24 GHz ～24． 25 GHz;

●工作頻率范圍內(nèi)的駐波比： ρ 小于 1． 5;

●增益： 大于 10 dB;

●E 面副瓣電平： 小于 －18 dB;

●E 面半功率波束角： 小于 30°。

微帶天線具有剖面低、體積小、重量輕、易共形、可集成化等特點，各種不同形式的微帶陣列天線被廣泛應(yīng)用于毫米波雷達(dá) 。本實驗也要求學(xué)生選擇微帶天線的形式來完成設(shè)計。

2 實驗過程

整個實驗的設(shè)計過程，首先要根據(jù)具體指標(biāo)選擇合適的板材，然后是對天線尺寸、饋電等的初步設(shè)計，再利用仿真軟件進(jìn)行輻射單元建模仿真和陣列設(shè)計，最后是實物加工和測試。

2．1 板材選擇

PCB 板材擇主要考慮三個因素： 板材厚度 h，相對介電常數(shù) ε r ，正切損耗 tanδ。板厚一般小于0． 1λ 0 ，出于增加工作帶寬的考慮，一般選擇較厚的板材，但如果板材過厚，會影響天線輻射效率。此外，相對介電常數(shù)越低，工作帶寬越大。Ｒo4350b 板材是 K 波段天線的常用板材，電路設(shè)計推薦參數(shù)為： 相對介電常數(shù) 3． 66，正切損耗 0．004，板厚選擇 0． 508 mm。

2． 2 輻射單元設(shè)計1） 天線單元的尺寸理論計算

確定板材后，首先要確定輻射單元的尺寸，其長寬值可由下列公式（ 1） 和（ 2） 得到。矩形微帶貼片單元的寬度為 W：

式中 f r 為中心頻率，c 為光速。考慮到輻射貼片的邊緣效應(yīng)，矩形貼片單元的長度為 L：

上式中 ε e 為有效介電常數(shù)，ΔL 為末端效應(yīng)長度，它們由下列公式（ 3） （ 4） 求得。

2） 饋電方式選擇

饋電方式選擇微帶線側(cè)饋方式。在饋線與輻射單元接觸點處開兩個矩形槽，用于阻抗匹配，如圖 1（ a） 所示，矩形槽深度 L 1 約等于貼片長度的三分之一，寬度 W 1 通過優(yōu)化得出。

3） 輻射單元仿真

利用 HFSS 軟件建立仿真三維模型，輻射單元三維模型如圖 1（ b） 所示。一般情況下初始仿真結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)都有偏差，需要分析偏差原因，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。通過仿真優(yōu)化，得出： W = 3． 7 mm，L = 3mm，W 1 =0． 32 mm，L 1 =0． 76 mm。

圖 1 輻射單元輸入端口駐波比和反射系數(shù)仿真結(jié)果

如圖 2 所示，從仿真結(jié)果可知，在 24． 125 GHz 處的 S 11 參數(shù)為－39． 64 dB，駐波比為 1． 02; 在 23． 75 GHz ～24． 49GHz 駐波比小于 1． 5，滿足要求。輻射單元的方向圖仿真結(jié)果如圖 3 所示，單元增益為 6． 83 dBi。對比設(shè)計指標(biāo)和輻射單元的仿真結(jié)果，可以看出單天線增益和波束寬度均無法滿足設(shè)計要求，需要用天線陣列來完成設(shè)計。

圖 2 輻射單元輸入端口仿真結(jié)果

圖 3 輻射單元方向圖仿真結(jié)果

2．3 天線陣列設(shè)計

1） 天線形式確定

天線半功率波束寬度由下式（ 5） 求得

上式中，λ 0 為中心頻率處的真空波長; f x 和 σ x為波束展寬因子; d 為輻射單元間距; N 為輻射單元數(shù)，α m 為最大輻射方向與平面陣元之間的夾角。為滿足單元副瓣抑制條件，單元間距 d 必須小于波長λ 0 ，適當(dāng)縮小單元間距可以更好實現(xiàn)陣列天線的小型化，相應(yīng)的會增大波束角，所以單元間距 d 選擇 6mm。根據(jù)天線指標(biāo) E 面半功率波束角小于 30 度，算得 N 需要大于 3． 52。結(jié)合仿真所得的單個貼片單元的幅度方向圖增益和天線指標(biāo)增益要求，輻射單元數(shù)至少有 4 個。綜合考慮這兩點，可選擇 4 元輻射單元。此外，為抑制副瓣，輻射單元的饋電幅度采用泰勒加權(quán)的方式。根據(jù)天線指標(biāo)副瓣電平小于 － 18dB，為保留設(shè)計余量，將副瓣電平 SLL 設(shè)為 － 20dB，算得泰勒權(quán)值為 I 1 ： I 2 等于 1： 0． 6339。

2） 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

陣列天線示意圖如圖 4（ a） 所示，根據(jù)該示意圖可以畫出右邊兩個輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)的等效電路，如圖 4（ b） 所示，其中 Y 0 為輻射單元輸入導(dǎo)納，Z c0 為微帶線特性阻抗，Z c1 和 Z c2 為 90°電長度阻抗變換器的特性阻抗，Y 2 ’和 Y 2 為節(jié)點處輸入導(dǎo)納，I 1和 I 2 為兩個輻射單元的電流幅度。

圖 4 天線陣示意圖

3） 陣列天線仿真

按照圖 4（ a） 的天線示意圖進(jìn)行建模，得到陣列天線三維模型如圖 5 所示。

圖 5 天線陣

HFSS 模型輸入端口仿真結(jié)果如圖 6 所示，在中心頻率24． 125 GHz 的 S 11 參數(shù)為 － 34． 46 dB，駐波比為 1．04; 在24 GHz 和24． 25 GHz 頻點上的駐波比分別為1． 24 和 1． 22，滿足設(shè)計要求。

圖 6 天線陣輸入端口仿真結(jié)果

圖 7 天線陣方向圖仿真結(jié)果

天線在 24． 125 GHz 上的方向圖仿真結(jié)果如圖7 所示，增益為12． 12 dBi，E 面副瓣電平優(yōu)化后達(dá)到－18． 35 dB，E 面 － 3dB 波束寬度為 27°，H 面 － 3dB 波束寬度為 68°，滿足設(shè)計要求。

2．4 天線加工與測試

天線仿真完畢后，用 AD09 軟件制作 PCB 工程文件，即可加工制版，學(xué)生設(shè)計完成的一個天線實物如圖 8 所示。輸入端口采用 2． 92 mm 的射頻接頭，探針直徑為 0． 3 mm。

圖 8 天線實物測試包括天線駐波比測試和方向圖測試兩部分。

其中，駐波比測試是利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成，天線方向圖測試，需要在微波暗室內(nèi)進(jìn)行，成本較高而且耗時很長，因此測試時應(yīng)選擇個別仿真和反射系數(shù)結(jié)果較好的天線進(jìn)行測試。圖 8 對應(yīng)的學(xué)生設(shè)計出來的天線端口測試結(jié)果見表 1 和圖 9，從圖中可見在工作頻率范圍內(nèi)，天線輸入駐波比均在 1． 5 以下，滿足要求。表 1 高度計天線輸入端口測試結(jié)果

圖 9 天線駐波比 S 11 參數(shù)實測結(jié)果該天線實測方向圖如圖 10 所示，在 24． 125GHz 處，E 面 － 3 dB 波束角為 28°，副瓣電平為 －18． 94 dB; H 面 －3 dB 波束角為 65°，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖 10 天線實測幅度方向圖3 結(jié)語在教育部當(dāng)前開展新工科研究與實踐的背景下，我們開展了射頻電路設(shè)計創(chuàng)新實驗項目的探索，開發(fā)了用于無人機(jī)高度測量的毫米波雷達(dá)天線的設(shè)計實驗項目。該實驗緊跟學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展前沿，內(nèi)容涵蓋的知識點多，將微波技術(shù)、射頻電路和天線原理等方面的知識有機(jī)融合，通過一個完整而又系統(tǒng)的設(shè)計過程，模擬解決實際工程問題的研發(fā)步驟，讓學(xué)生獲得更多的探索體驗，具有很好的應(yīng)用價值。目前該設(shè)計已通過畢業(yè)設(shè)計和大學(xué)生科研等形式試運行，學(xué)生反映良好，收到不錯效果，下一步將考慮以一個綜合實驗項目或者課程設(shè)計的方式引入本科實驗教學(xué)。