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基于毫米波微带天线设计的射频电路实验

来源:电子万花筒  2020-07-16

本文设计了一个新的射频电路设计性实验项目———可用于无人机高度测量的毫米波雷达微带天线的设计与实现。该实验项目通过让学生完成该天线的自主设计、仿真、优化、制作和测试的过程,引导学生来深入体会实际射频工程中的实际流程和方法,从而提高其学习兴趣,进而进一步培养其工程素质、实践能力和创新精神。

 

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引言

随着现代科技的进步,电子系统工作频率正逐步向更高频段发展,微波与射频技术在无线通信、导航、遥感和生物医学等领域发挥着关键作用,射频工程专业人才十分紧缺 。

“射频电路”是“高频电子线路”、“微波技术”等课程的后续课程,它作为通信工程、电子工程、电波传播与天线等专业的主干课程,其目的是让学生通过理论学习和实践,能够掌握相关的基本原理和系统知识,培养具有射频电路设计、系统分析和创新能力的微波射频专业人才 。

实践教学对于射频微波工程人才的培养具有举足轻重的作用,仅靠传统的射频实验箱来完成一些验证性实验已经不能满足要求,因此很多高校针对电子信息类射频电路实践教学遇到的问题展开了一系列的探索和研究。在传统的测量实验的基础上,ADS( Advanced Design System) 、Multisim、HFSS( High Frequency Structure Simulator) 、MWO( Micro-wave Office) 等仿真软件被部分高校引入到射频电路的实践教学中 。部分高校还进行了综合实验项目的尝试,收到良好的教学效果 。结合近几年的实验教学情况,我们也进行了积极的尝试,在已有的仿真设计实验的基础上,结合我院相关专业的科研成果,进行设计性和创新性实验项目的探索与开发。

在项目内容的选择上,旨在将专业应用前景和当前技术水平相结合,设计出一些既贴近科研又能够满足机理相对简单、实现起来难易适中等要求的项目,这样才能让学生感兴趣并取得好的教学效果。近年来,无人机在航拍、农业、植保、快递运输、灾难救援、测绘等领域的得到了广泛应用。在无人机测高避障安全领域中,毫米波雷达以全天时全天候工作,作用距离远,抗干扰性好等优势受到青睐。在无人机的底部、前侧方和后侧方装配高精度毫米波雷达,完成高精度的高度测量,从而实现无人机精准悬停、高度调节、地形跟踪、辅助起飞降落等功能,这是目前业界正采用的有效方案,具有广泛的应用前景和较高的应用价值 。因此,本文选取可用于无人机高度测量的毫米波雷达天线设计作为一个新的射频电路实验项目,其可设计性强,应用场合清晰,工程性强,难易度适中,学生们也比较感兴趣。该实验项目让学生通过该天线的理论设计、仿真与优化、实物制作和测试的过程,最终设计并制作出符合指标要求的微带天线,从而深入体会实际射频工程中的方法和流程,在实践过程中提高其工程素质、实践能力和创新精神,进而达到全面提高教学质量的目的。

1 实验目的和设计目标

1. 1 实验目的

鉴于毫米波雷达在无人机测高领域中的重要地位,而天线的指标及性能决定了毫米波雷达的监测能力。基于针对无人机高度计对于天线工作带宽、驻波比、天线方向图增益和副瓣电平等的指标要求,让学生设计出一款增益高、副瓣低、波束角窄的无人机高度计天线,项目设计过程重点包括辐射单元的设计、阵列天线馈电网络的设计、天线综合方法和阻抗匹配等。

1. 2 天线指标要求

无人机高度计雷达不需要测障碍物方位角,只需要把距离最近的障碍物的距离信息测量出来即可,所以可以采用单发单收形式。结合无人机的应用场景和 K 波段毫米波雷达主流射频芯片的指标,实验项目中所设计的天线指标如下:

●工作频率: 24 GHz ~24. 25 GHz;

●工作频率范围内的驻波比: ρ 小于 1. 5;

●增益: 大于 10 dB;

●E 面副瓣电平: 小于 -18 dB;

●E 面半功率波束角: 小于 30°。

微带天线具有剖面低、体积小、重量轻、易共形、可集成化等特点,各种不同形式的微带阵列天线被广泛应用于毫米波雷达 。本实验也要求学生选择微带天线的形式来完成设计。

2 实验过程

整个实验的设计过程,首先要根据具体指标选择合适的板材,然后是对天线尺寸、馈电等的初步设计,再利用仿真软件进行辐射单元建模仿真和阵列设计,最后是实物加工和测试。

2. 1 板材选择

PCB 板材选择主要考虑三个因素: 板材厚度 h,相对介电常数 ε r ,正切损耗 tanδ。板厚一般小于0. 1λ 0 ,出于增加工作带宽的考虑,一般选择较厚的板材,但如果板材过厚,会影响天线辐射效率。此外,相对介电常数越低,工作带宽越大。Ro4350b 板材是 K 波段天线的常用板材,电路设计推荐参数为: 相对介电常数 3. 66,正切损耗 0.004,板厚选择 0. 508 mm。

2. 2 辐射单元设计

1) 天线单元的尺寸理论计算

 

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2) 馈电方式选择

馈电方式选择微带线侧馈方式。在馈线与辐射单元接触点处开两个矩形槽,用于阻抗匹配,如图 1( a) 所示,矩形槽深度 L 1 约等于贴片长度的三分之一,宽度 W 1 通过优化得出。

3) 辐射单元仿真

利用 HFSS 软件建立仿真三维模型,辐射单元三维模型如图 1( b) 所示。一般情况下初始仿真结果与设计指标都有偏差,需要分析偏差原因,进行参数调整。通过仿真优化,得出: W = 3. 7 mm,L = 3mm,W 1 =0. 32 mm,L 1 =0. 76 mm。

 

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图 1 辐射单元

输入端口驻波比和反射系数仿真结果如图 2 所示,从仿真结果可知,在 24. 125 GHz 处的 S 11 参数为-39. 64 dB,驻波比为 1. 02; 在 23. 75 GHz ~24. 49GHz 驻波比小于 1. 5,满足要求。辐射单元的方向图仿真结果如图 3 所示,单元增益为 6. 83 dBi。对比设计指标和辐射单元的仿真结果,可以看出单天线增益和波束宽度均无法满足设计要求,需要用天线阵列来完成设计。

 

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图 2 辐射单元输入端口仿真结果

 

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图 3 辐射单元方向图仿真结果

2. 3 天线阵列设计

1) 天线形式确定

 

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上式中,λ 0 为中心频率处的真空波长; f x 和 σ x为波束展宽因子; d 为辐射单元间距; N 为辐射单元数,α m 为最大辐射方向与平面阵元之间的夹角。为满足单元副瓣抑制条件,单元间距 d 必须小于波长λ 0 ,适当缩小单元间距可以更好实现阵列天线的小型化,相应的会增大波束角,所以单元间距 d 选择 6mm。根据天线指标 E 面半功率波束角小于 30 度,算得 N 需要大于 3. 52。结合仿真所得的单个贴片单元的幅度方向图增益和天线指标增益要求,辐射单元数至少有 4 个。综合考虑这两点,可选择 4 元辐射单元。

此外,为抑制副瓣,辐射单元的馈电幅度采用泰勒加权的方式。根据天线指标副瓣电平小于 - 18dB,为保留设计余量,将副瓣电平 SLL 设为 - 20dB,算得泰勒权值为 I 1 : I 2 等于 1: 0. 6339。

2) 馈电网络设计

阵列天线示意图如图 4( a) 所示,根据该示意图可以画出右边两个辐射单元和馈电网络的等效电路,如图 4( b) 所示,其中 Y 0 为辐射单元输入导纳,Z c0 为微带线特性阻抗,Z c1 和 Z c2 为 90°电长度阻抗变换器的特性阻抗,Y 2 ’和 Y 2 为节点处输入导纳,I 1和 I 2 为两个辐射单元的电流幅度。

 

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图 4 天线阵示意图

3) 阵列天线仿真按照图 4( a) 的天线示意图进行建模,得到阵列天线三维模型如图 5 所示。

 

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图 5 天线阵 HFSS 模型

输入端口仿真结果如图 6 所示,在中心频率24. 125 GHz 的 S 11 参数为 - 34. 46 dB,驻波比为 1.04; 在24 GHz 和24. 25 GHz 频点上的驻波比分别为1. 24 和 1. 22,满足设计要求。

 

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图 6 天线阵输入端口仿真结果

 

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图 7 天线阵方向图仿真结果

天线在 24. 125 GHz 上的方向图仿真结果如图7 所示,增益为12. 12 dBi,E 面副瓣电平优化后达到-18. 35 dB,E 面 - 3dB 波束宽度为 27°,H 面 - 3dB 波束宽度为 68°,满足设计要求。

2. 4 天线加工与测试

天线仿真完毕后,用 AD09 软件制作 PCB 工程文件,即可加工制版,学生设计完成的一个天线实物如图 8 所示。输入端口采用 2. 92 mm 的射频接头,探针直径为 0. 3 mm。

 

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图 8 天线实物

测试包括天线驻波比测试和方向图测试两部分。其中,驻波比测试是利用矢量网络分析仪完成,天线方向图测试,需要在微波暗室内进行,成本较高而且耗时很长,因此测试时应选择个别仿真和反射系数结果较好的天线进行测试。

图 8 对应的学生设计出来的天线端口测试结果见表 1 和图 9,从图中可见在工作频率范围内,天线输入驻波比均在 1. 5 以下,满足要求。

表 1 高度计天线输入端口测试结果

 

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图 9 天线驻波比 S 11 参数实测结果

该天线实测方向图如图 10 所示,在 24. 125GHz 处,E 面 - 3 dB 波束角为 28°,副瓣电平为 -18. 94 dB; H 面 -3 dB 波束角为 65°,达到了设计要求。

 

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图 10 天线实测幅度方向图

3 结语

在教育部当前开展新工科研究与实践的背景下,我们开展了射频电路设计创新实验项目的探索,开发了用于无人机高度测量的毫米波雷达天线的设计实验项目。该实验紧跟学科领域发展前沿,内容涵盖的知识点多,将微波技术、射频电路和天线原理等方面的知识有机融合,通过一个完整而又系统的设计过程,模拟解决实际工程问题的研发步骤,让学生获得更多的探索体验,具有很好的应用价值。目前该设计已通过毕业设计和大学生科研等形式试运行,学生反映良好,收到不错效果,下一步将考虑以一个综合实验项目或者课程设计的方式引入本科实验教学。

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