摘要： 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新的射頻電路設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目———可用于無(wú)人機(jī)高度測(cè)量的毫米波雷達(dá)微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)讓學(xué)生完成該天線(xiàn)的自主設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化、制作和測(cè)試的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生來(lái)深入體會(huì)實(shí)際射頻工程中的實(shí)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(shí)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(wú)線(xiàn)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(zhuān)業(yè)人才十分緊缺 ?！吧漕l電路”是“高頻電子線(xiàn)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(xiàn)等專(zhuān)業(yè)的主干課程，其目的是讓學(xué)生通過(guò)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐，能夠掌握相關(guān)的基本原理和系統(tǒng)知識(shí)，培養(yǎng)具有射頻電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析和創(chuàng)新能力的微波射頻專(zhuān)業(yè)人才 。實(shí)踐教學(xué)對(duì)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(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，因此很多高校針對(duì)電子信息類(lèi)射頻電路實(shí)踐教學(xué)遇到的問(wèn)題展開(kāi)了一系列的探索和研究。在傳統(tǒng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(shí)踐教學(xué)中 。部分高校還進(jìn)行了綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的嘗試，收到良好的教學(xué)效果 。結(jié)合近幾年的實(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我院相關(guān)專(zhuān)業(yè)的科研成果，進(jìn)行設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的探索與開(kāi)發(fā)。在項(xiàng)目?jī)?nèi)容的選擇上，旨在將專(zhuān)業(yè)應(yīng)用前景和當(dāng)前技術(shù)水平相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一些既貼近科研又能夠滿(mǎn)足機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)起來(lái)難易適中等要求的項(xiàng)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(lái)，無(wú)人機(jī)在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、快遞運(yùn)輸、災(zāi)難救援、測(cè)繪等領(lǐng)域的得到了廣泛應(yīng)用。在無(wú)人機(jī)測(cè)高避障安全領(lǐng)域中，毫米波雷達(dá)以全天時(shí)全天候工作，作用距離遠(yuǎn)，抗干擾性好等優(yōu)勢(shì)受到青睞。在無(wú)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(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jià)值 。因此，本文選取可用于無(wú)人機(jī)高度測(cè)量的毫米波雷達(dá)天線(xiàn)設(shè)計(jì)作為一個(gè)新的射頻電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，應(yīng)用場(chǎng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目讓學(xué)生通過(guò)該天線(xiàn)的理論設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化、實(shí)物制作和測(cè)試的過(guò)程，最終設(shè)計(jì)并制作出符合指標(biāo)要求的微帶天線(xiàn)，從而深入體會(huì)實(shí)際射頻工程中的方法和流程，在實(shí)踐過(guò)程中提高其工程素質(zhì)、實(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮O(shè)計(jì)目標(biāo)

1．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

鑒于毫米波雷達(dá)在無(wú)人機(jī)測(cè)高領(lǐng)域中的重要地位，而天線(xiàn)的指標(biāo)及性能決定了毫米波雷達(dá)的監(jiān)測(cè)能力。基于針對(duì)無(wú)人機(jī)高度計(jì)對(duì)于天線(xiàn)工作帶寬、駐波比、天線(xiàn)方向圖增益和副瓣電平等的指標(biāo)要求，讓學(xué)生設(shè)計(jì)出一款增益高、副瓣低、波束角窄的無(wú)人機(jī)高度計(jì)天線(xiàn)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程重點(diǎn)包括輻射單元的設(shè)計(jì)、陣列天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、天線(xiàn)綜合方法和阻抗匹配等。

1．2 天線(xiàn)指標(biāo)要求

無(wú)人機(jī)高度計(jì)雷達(dá)不需要測(cè)障礙物方位角，只需要把距離最近的障礙物的距離信息測(cè)量出來(lái)即可，所以可以采用單發(fā)單收形式。結(jié)合無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景和 K 波段毫米波雷達(dá)主流射頻芯片的指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)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(xiàn)具有剖面低、體積小、重量輕、易共形、可集成化等特點(diǎn)，各種不同形式的微帶陣列天線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于毫米波雷達(dá) 。本實(shí)驗(yàn)也要求學(xué)生選擇微帶天線(xiàn)的形式來(lái)完成設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，首先要根據(jù)具體指標(biāo)選擇合適的板材，然后是對(duì)天線(xiàn)尺寸、饋電等的初步設(shè)計(jì)，再利用仿真軟件進(jìn)行輻射單元建模仿真和陣列設(shè)計(jì)，最后是實(shí)物加工和測(cè)試。

2．1 板材選擇

PCB 板材擇主要考慮三個(gè)因素： 板材厚度 h，相對(duì)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(guò)厚，會(huì)影響天線(xiàn)輻射效率。此外，相對(duì)介電常數(shù)越低，工作帶寬越大。Ｒo4350b 板材是 K 波段天線(xiàn)的常用板材，電路設(shè)計(jì)推薦參數(shù)為： 相對(duì)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(jì)1） 天線(xiàn)單元的尺寸理論計(jì)算

確定板材后，首先要確定輻射單元的尺寸，其長(zhǎng)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?？紤]到輻射貼片的邊緣效應(yīng)，矩形貼片單元的長(zhǎng)度為 L：

上式中 ε e 為有效介電常數(shù)，ΔL 為末端效應(yīng)長(zhǎng)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(xiàn)側(cè)饋方式。在饋線(xiàn)與輻射單元接觸點(diǎn)處開(kāi)兩個(gè)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(zhǎng)度的三分之一，寬度 W 1 通過(guò)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(jì)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(guò)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(mǎn)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(duì)比設(shè)計(jì)指標(biāo)和輻射單元的仿真結(jié)果，可以看出單天線(xiàn)增益和波束寬度均無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需要用天線(xiàn)陣列來(lái)完成設(shè)計(jì)。

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(xiàn)陣列設(shè)計(jì)

1） 天線(xiàn)形式確定

天線(xiàn)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(zhǎng); 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(mǎn)足單元副瓣抑制條件，單元間距 d 必須小于波長(zhǎng)λ 0 ，適當(dāng)縮小單元間距可以更好實(shí)現(xiàn)陣列天線(xiàn)的小型化，相應(yīng)的會(huì)增大波束角，所以單元間距 d 選擇 6mm。根據(jù)天線(xiàn)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(gè)貼片單元的幅度方向圖增益和天線(xiàn)指標(biāo)增益要求，輻射單元數(shù)至少有 4 個(gè)。綜合考慮這兩點(diǎn)，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(xiàn)指標(biāo)副瓣電平小于 － 18dB，為保留設(shè)計(jì)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(jì)

陣列天線(xiàn)示意圖如圖 4（ a） 所示，根據(jù)該示意圖可以畫(huà)出右邊兩個(gè)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(xiàn)特性阻抗，Z c1 和 Z c2 為 90°電長(zhǎng)度阻抗變換器的特性阻抗，Y 2 ’和 Y 2 為節(jié)點(diǎn)處輸入導(dǎo)納，I 1和 I 2 為兩個(gè)輻射單元的電流幅度。

圖 4 天線(xiàn)陣示意圖

3） 陣列天線(xiàn)仿真

按照?qǐng)D 4（ a） 的天線(xiàn)示意圖進(jìn)行建模，得到陣列天線(xiàn)三維模型如圖 5 所示。

圖 5 天線(xiàn)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(diǎn)上的駐波比分別為1． 24 和 1． 22，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖 6 天線(xiàn)陣輸入端口仿真結(jié)果

圖 7 天線(xiàn)陣方向圖仿真結(jié)果

天線(xiàn)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2．4 天線(xiàn)加工與測(cè)試

天線(xiàn)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(jì)完成的一個(gè)天線(xiàn)實(shí)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(xiàn)實(shí)物測(cè)試包括天線(xiàn)駐波比測(cè)試和方向圖測(cè)試兩部分。

其中，駐波比測(cè)試是利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成，天線(xiàn)方向圖測(cè)試，需要在微波暗室內(nèi)進(jìn)行，成本較高而且耗時(shí)很長(zhǎng)，因此測(cè)試時(shí)應(yīng)選擇個(gè)別仿真和反射系數(shù)結(jié)果較好的天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試。圖 8 對(duì)應(yīng)的學(xué)生設(shè)計(jì)出來(lái)的天線(xiàn)端口測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 1 和圖 9，從圖中可見(jiàn)在工作頻率范圍內(nèi)，天線(xiàn)輸入駐波比均在 1． 5 以下，滿(mǎn)足要求。表 1 高度計(jì)天線(xiàn)輸入端口測(cè)試結(jié)果

圖 9 天線(xiàn)駐波比 S 11 參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果該天線(xiàn)實(shí)測(cè)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(jì)要求。

圖 10 天線(xiàn)實(shí)測(cè)幅度方向圖3 結(jié)語(yǔ)在教育部當(dāng)前開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的背景下，我們開(kāi)展了射頻電路設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的探索，開(kāi)發(fā)了用于無(wú)人機(jī)高度測(cè)量的毫米波雷達(dá)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)緊跟學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展前沿，內(nèi)容涵蓋的知識(shí)點(diǎn)多，將微波技術(shù)、射頻電路和天線(xiàn)原理等方面的知識(shí)有機(jī)融合，通過(guò)一個(gè)完整而又系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，模擬解決實(shí)際工程問(wèn)題的研發(fā)步驟，讓學(xué)生獲得更多的探索體驗(yàn)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。目前該設(shè)計(jì)已通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)和大學(xué)生科研等形式試運(yùn)行，學(xué)生反映良好，收到不錯(cuò)效果，下一步將考慮以一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者課程設(shè)計(jì)的方式引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。