1 引言
得益于被稱為“深度學(xué)習(xí)”的新一代人工智能軟件和更加可靠性能更好的電腦和硬件傳感器，在未來(lái)幾十年里，汽車將獲得與人類相似的能力，在無(wú)法預(yù)測(cè)的環(huán)境中自主安全駕駛，無(wú)人駕駛汽車將逐漸取代由人類駕駛的普通汽車[1]；在這個(gè)從普通汽車到無(wú)人駕駛汽車過(guò)渡的過(guò)程中，毫米波防撞雷達(dá)作為無(wú)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(dá)的研究也成了近年來(lái)汽車電子廠商們關(guān)注的熱點(diǎn)。
2 汽車防撞雷達(dá)介紹
應(yīng)用于汽車的防撞雷達(dá)一般工作在兩個(gè)頻段：24GHz-24.25GHz和76GHz-81GHz；工作在24GHz頻段的防撞雷達(dá)一般安裝在汽車后向，實(shí)現(xiàn)盲區(qū)監(jiān)測(cè)（BSD），變道輔助（LCA）以及倒車側(cè)向警告（RCTA）等功能；工作在76GHz-81GHz頻段的毫米波防撞雷達(dá)一般安裝在汽車前向，用于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航（ACC），緊急制動(dòng)（AEB）等功能。汽車防撞雷達(dá)不同功能覆蓋區(qū)域如圖1所示：
圖1 防撞雷達(dá)波束覆蓋區(qū)域示意圖
本文所介紹的波束賦形陣列天線工作在77GHz-79GHz，作為安裝在汽車后向毫米波防撞雷達(dá)的一部分，用于實(shí)現(xiàn)BSD，LCA和RCTA功能；相對(duì)實(shí)現(xiàn)同樣功能工作在24GHz的防撞雷達(dá)，工作在77GHz頻率的雷達(dá)具有更高的速度探測(cè)精度，更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，更好的目標(biāo)探測(cè)分辨率以及更小的尺寸，更易集成在后保險(xiǎn)杠或汽車尾燈中等優(yōu)勢(shì)。
3波束賦形陣列天線的設(shè)計(jì)
3.1串饋微帶貼片陣列天線
微帶天線具有低剖面，重量輕，便于加工，成本低廉，易于與微波電路集成等優(yōu)點(diǎn)；將微帶貼片天線串聯(lián)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(dá)天線。
3.1.1理論分析
微帶貼片天線可看做一個(gè)場(chǎng)量在橫向沒(méi)有變化的開(kāi)路諧振器[2]，其輻射場(chǎng)由貼片長(zhǎng)度方向兩側(cè)開(kāi)路縫隙產(chǎn)生，如圖2所示
圖2 矩形微帶貼片天線
通過(guò)微帶傳輸線將貼片串聯(lián)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(jié)構(gòu)示意圖
在串饋微帶貼片陣列中，每個(gè)貼片天線的寬度正比于貼片天線等效導(dǎo)納，而等效導(dǎo)納又正比于該貼片的激勵(lì)功率；因此通過(guò)并調(diào)節(jié)線陣中每個(gè)貼片的寬度，可以改變?cè)撎炀€的激勵(lì)功率，從而實(shí)現(xiàn)線陣激勵(lì)的錐削分布，滿足防撞雷達(dá)天線在俯仰面對(duì)于低副瓣的要求。
3.1.2 仿真設(shè)計(jì)
根據(jù)增益與波束寬度的要求確定該串饋微帶貼片線陣單元數(shù)為10，副瓣電平小于-20dB；采用厚度為5mil的RO3003介質(zhì)基板，經(jīng)理論分析與仿真軟件優(yōu)化。仿真模型如圖4所示
圖4天線仿真模型
天線俯仰面增益方向圖如圖5所示
圖5 俯仰面增益方向圖
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所示的面陣
圖6 面陣仿真模型
該面陣用于實(shí)現(xiàn)水平面方向圖的波束賦形。
3.2 PSO粒子群算法優(yōu)化激勵(lì)幅度相位
粒子群的基本概念是來(lái)自于鳥(niǎo)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(jī)搜索方法，不同的是，粒子群優(yōu)化算法沒(méi)有選擇、交叉、變異等復(fù)雜過(guò)程，而是依靠個(gè)體間的協(xié)作來(lái)尋取最優(yōu)解。每個(gè)粒子通過(guò)跟蹤粒子本身找到的最優(yōu)解Pbest和群體找到的最優(yōu)解Gbest，更新離子的位置和速度，不斷向最優(yōu)解靠近，最終達(dá)到最優(yōu)解。粒子群算法優(yōu)化流程圖如圖7所示
圖7 算法優(yōu)化流程圖
從防撞雷達(dá)威力圖提取出波束賦形的目標(biāo)方向圖，通過(guò)PSO優(yōu)化算法對(duì)圖6中陣列天線激勵(lì)幅相值得優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)方向圖的賦形。在HFSS仿真軟件中輸入粒子群算法優(yōu)化得到的激勵(lì)幅相值，得到仿真方向圖與目標(biāo)方向圖如圖8所示
圖8波束賦形方向圖
從圖8可見(jiàn)仿真結(jié)果與目標(biāo)方向圖吻合較好，說(shuō)明粒子群算法優(yōu)化出的結(jié)果可靠。
3.3功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
3.2節(jié)確定了各線陣激勵(lì)的幅相值，但圖8里的仿真方向圖是理想的，現(xiàn)實(shí)中需要通過(guò)1分6的功分網(wǎng)絡(luò)來(lái)將其實(shí)現(xiàn)。常用的功分器有Wilkinson功分器和T型節(jié)功分器；Wilkinson功分器只能組成并饋網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)具有較大的損耗且占用面積大，不利于小型化；而由T型節(jié)組成的串饋功分網(wǎng)絡(luò)具有損耗低占用面積小的優(yōu)勢(shì)，更適合于實(shí)現(xiàn)3.2節(jié)中波束賦形的幅相激勵(lì)。
3.3.1理論分析
該串饋網(wǎng)絡(luò)依靠阻抗變換段實(shí)現(xiàn)波束賦形的激勵(lì)幅度，通過(guò)改變輸出饋線的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)波束賦形的激勵(lì)相位；串饋網(wǎng)絡(luò)等效電路如圖9所示
圖9串饋網(wǎng)絡(luò)等效電路
圖中Yo為連接功分網(wǎng)絡(luò)的串饋線陣等效導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)輸出端口激勵(lì)電流與阻抗有如下的關(guān)系[4]
各端口激勵(lì)電流Ii由3.2節(jié)優(yōu)化得到，傳輸線特性阻抗Zco已知，可以求出每節(jié)阻抗變換段對(duì)應(yīng)的特性阻抗，從而可以得到該特性阻抗對(duì)應(yīng)的寬度微帶線寬。
3.3.2 仿真設(shè)計(jì)
功分網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖10所示，
圖10功分網(wǎng)絡(luò)仿真模型
仿真得到的激勵(lì)幅相數(shù)據(jù)如表1所示
表1 仿真與PSO優(yōu)化幅相數(shù)據(jù)
從表1中可以看出，該功分網(wǎng)絡(luò)較好的實(shí)現(xiàn)了PSO優(yōu)化出的激勵(lì)幅相值。
3.4整體仿真結(jié)果
圖10功分網(wǎng)絡(luò)與圖6中面陣連接成如圖11的仿真模型
圖11整體仿真模型
仿真得到的方位面方向圖與目標(biāo)方向圖對(duì)比如圖12所示
圖12仿真與目標(biāo)方向圖對(duì)比
從圖12可見(jiàn)仿真方向圖在-60°~+36°范圍內(nèi)與目標(biāo)方向圖吻合較好，在此范圍之外與目標(biāo)方向圖略有差異；這是由于天線對(duì)網(wǎng)絡(luò)耦合影響了網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出的幅度和相位，仿真方向圖在遠(yuǎn)離主波束的角度與目標(biāo)方向圖有些差異；該仿真方向圖總體可以滿足后向防撞雷達(dá)BSD，LCA，RCTA三種功能應(yīng)用。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種工作在77GHz-79GHz頻段，用于汽車后向防撞雷達(dá)的波束賦形陣列天線；首先根據(jù)雷達(dá)對(duì)于俯仰面方向圖高增益低副瓣的需求，設(shè)計(jì)了串饋貼片線陣，實(shí)現(xiàn)了-22.6dB的副瓣電平；然后將6條線陣等間距排布組成面陣，通過(guò)PSO粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化出可以實(shí)現(xiàn)方位面賦形波束的激勵(lì)幅相值；接著設(shè)計(jì)了1分6的串饋功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化算法得到的激勵(lì)幅相，最后將網(wǎng)絡(luò)與天線面陣連接完成波束賦形陣列天線的設(shè)計(jì)。該波束賦形陣列仿真方向圖與目標(biāo)方向圖吻合較好，對(duì)應(yīng)用于77GHz汽車防撞雷達(dá)的賦形天線設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。
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