24GHz微波雷达天线的极化方式选择

射频百花潭2021-06-06 10:14:37

24GHz 微波雷达传感器被广泛应用于汽车主动安全、智能交通、安全防护、工业应用以及无人机防撞等领域。天线作为雷达传感器的关键性器件,在雷达传感器中起“咽喉”作用,一方面需要尽可能多的把射频源的信号发射出去;另一方面需要使雷达波覆盖到合适的区域。根据笔者的设计经验,国内外厂商常用的24GHz天线形式有微带阵列天线、喇叭天线、介质基片集成波导天线(SIW)以及透镜天线。综合考虑雷达传感器体积和制造成本,商用领域最流行的天线形式是微带天线。微带天线印刷在高频PCB上,借助于成熟的PCB加工工艺,设计厂商可以最大程度的减小成本。

 

图1:采用RO4350B板材的24GHz微带阵列天线


极化方式是表征电磁波的一个重要参数,由雷达天线决定。常用极化方式有线极化和圆极化两种。线极化又分为垂直极化、水平极化和斜极化。雷达天线极化方式不同,会导致目标反射回波的幅度和相位特性不同,进而影响雷达的探测灵敏度。因此,研究目标散射特性对雷达天线设计具有重要的指导意义。笔者以电力巡线无人机为应用背景,先对高压线的散射特性进行了研究。为了探究电力线对不同线极化入射波的散射特性,通过仿真方法对高压线在24GHz的散射特性进行分析。


首先建立仿真模型,用图2所示细长圆柱形导体模拟电力线,圆柱体线径设为R_wire,长度设为20λ0。设置入射平面波用于模拟雷达发射天线发射的电磁波。在入射源位置设置场感应器,用于模拟雷达接收天线接收电力线反射波。入射波极化方向与电力线延伸方向的夹角为Φ_step。


 

图2:电力线模型


使用基于有限元方法的高频仿真软件进行仿真。固定线径R_wire为0.67λ0,分析水平极化和垂直极化方式下RCS(雷达散射截面)随Φ_step变化趋势。从图3所示结果中可以看出,当入射波极化方向和电力线延伸方向由平行变化到垂直(Φ_step由0°变化到90°)时,RCS逐渐增加,但变化值在0.6dB以内。固定Φ_step为0°,分析水平极化和垂直极化方式下RCS随R_wire变化趋势。从图4所示结果中可以看出,两种极化方式下的RCS都随R_wire增加而变大。当R_wire小于0.5λ0时,两种方式下的RCS变化曲线呈交替上升状态,但是变化值在1.5dB以内。当R_wire大于0.5λ0时,垂直极化的RCS要大于水平极化,变化值在0.6dB以内。

图3:不同极化方式下RCS随Φ_step变化趋势

图4:不同极化方式下RCS随R_wire变化趋势


基于上述仿真结果得出结论:在天线参数(匹配、增益、方向图)和射频互连一致的条件下,K波段雷达天线的极化方式应优先选择垂直极化方式。笔者采用RO4350B板材设计了图5所示的两种24GHz微带天线阵列,两种方案均为垂直极化方式。图示阵列均为1×4,工作频率可以覆盖24GHz ISM带宽,-3dB波束宽度约为70°×25°,垂直面的副瓣电平为-16dB。方案2所示天线已应用于实际产品。当然,不同应用场景需要考虑不同的极化方式,笔者仅仅提供一个设计思路。

图5:采用RO4350B设计的垂直极化微带阵列天线


笔者使用RO4350B板材设计了大量24GHz的微带天线阵列、微带功分器、匹配网络以及混频网络,既有简单的双面板,也有复杂的多层混压板。在PCB加工厂使用标准的FR4加工工艺即可进行加工,物料成本和加工成本都能得到很好的控制。



RO4350B最吸引人的是其优异的高频性能,它不仅在宽频带内具有稳定的介电常数,而且具有极低的损耗系数,足以应付24GHz微波雷达对天线增益和微波传输损耗的设计需求,是业界最具竞争力的低损耗高频板材。此外,Rogers公司为工程师提供了精准的微带线设计工具和大量实测应用数据,这使得设计周期能够大幅缩短,笔者一般通过两个版本迭代就可以满足设计指标。




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