1 引言
得益于被稱為“深度學習”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，在未來幾十年里，汽車將獲得與人類相似的能力，在無法預測的環境中自主安全駕駛，無人駕駛汽車將逐漸取代由人類駕駛的普通汽車[1]；在這個從普通汽車到無人駕駛汽車過渡的過程中，毫米波防撞雷達作為無人駕駛汽車的“眼睛”，收集汽車周邊物體的速度，距離，位置等信息；毫米波防撞雷達的研究也成了近年來汽車電子廠商們關注的熱點。
2 汽車防撞雷達介紹
應用于汽車的防撞雷達一般工作在兩個頻段：24GHz-24.25GHz和76GHz-81GHz；工作在24GHz頻段的防撞雷達一般安裝在汽車后向，實現盲區監測（BSD），變道輔助（LCA）以及倒車側向警告（RCTA）等功能；工作在76GHz-81GHz頻段的毫米波防撞雷達一般安裝在汽車前向，用于實現自適應巡航（ACC），緊急制動（AEB）等功能。汽車防撞雷達不同功能覆蓋區域如圖1所示：
圖1 防撞雷達波束覆蓋區域示意圖
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的一部分，用于實現BSD，LCA和RCTA功能；相對實現同樣功能工作在24GHz的防撞雷達，工作在77GHz頻率的雷達具有更高的速度探測精度，更遠的探測距離，更好的目標探測分辨率以及更小的尺寸，更易集成在后保險杠或汽車尾燈中等優勢。
3波束賦形陣列天線的設計
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點；將微帶貼片天線串聯饋電組成駐波線陣，能夠滿足高增益低副瓣等要求，適合用作毫米波防撞雷達天線。
3.1.1理論分析
微帶貼片天線可看做一個場量在橫向沒有變化的開路諧振器[2]，其輻射場由貼片長度方向兩側開路縫隙產生，如圖2所示
圖2 矩形微帶貼片天線
通過微帶傳輸線將貼片串聯組成串饋駐波陣，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構示意圖
在串饋微帶貼片陣列中，每個貼片天線的寬度正比于貼片天線等效導納，而等效導納又正比于該貼片的激勵功率；因此通過并調節線陣中每個貼片的寬度，可以改變該天線的激勵功率，從而實現線陣激勵的錐削分布，滿足防撞雷達天線在俯仰面對于低副瓣的要求。
3.1.2 仿真設計
根據增益與波束寬度的要求確定該串饋微帶貼片線陣單元數為10，副瓣電平小于-20dB；采用厚度為5mil的RO3003介質基板，經理論分析與仿真軟件優化。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
該面陣用于實現水平面方向圖的波束賦形。
3.2 PSO粒子群算法優化激勵幅度相位
粒子群的基本概念是來自于鳥群覓食行為的研究[3]。與遺傳算法類似，粒子群算法也是一種隨機搜索方法，不同的是，粒子群優化算法沒有選擇、交叉、變異等復雜過程，而是依靠個體間的協作來尋取最優解。每個粒子通過跟蹤粒子本身找到的最優解Pbest和群體找到的最優解Gbest，更新離子的位置和速度，不斷向最優解靠近，最終達到最優解。粒子群算法優化流程圖如圖7所示
圖7 算法優化流程圖
從防撞雷達威力圖提取出波束賦形的目標方向圖，通過PSO優化算法對圖6中陣列天線激勵幅相值得優化，實現對目標方向圖的賦形。在HFSS仿真軟件中輸入粒子群算法優化得到的激勵幅相值，得到仿真方向圖與目標方向圖如圖8所示
圖8波束賦形方向圖
從圖8可見仿真結果與目標方向圖吻合較好，說明粒子群算法優化出的結果可靠。
3.3功分網絡的設計
3.2節確定了各線陣激勵的幅相值，但圖8里的仿真方向圖是理想的，現實中需要通過1分6的功分網絡來將其實現。常用的功分器有Wilkinson功分器和T型節功分器；Wilkinson功分器只能組成并饋網絡，這種網絡具有較大的損耗且占用面積大，不利于小型化；而由T型節組成的串饋功分網絡具有損耗低占用面積小的優勢，更適合于實現3.2節中波束賦形的幅相激勵。
3.3.1理論分析
該串饋網絡依靠阻抗變換段實現波束賦形的激勵幅度，通過改變輸出饋線的長度實現波束賦形的激勵相位；串饋網絡等效電路如圖9所示
圖9串饋網絡等效電路
圖中Yo為連接功分網絡的串饋線陣等效導納，Zci為各阻抗變換段的特性阻抗，Zco為饋線的特性阻抗；串饋網絡輸出端口激勵電流與阻抗有如下的關系[4]
各端口激勵電流Ii由3.2節優化得到，傳輸線特性阻抗Zco已知，可以求出每節阻抗變換段對應的特性阻抗，從而可以得到該特性阻抗對應的寬度微帶線寬。
3.3.2 仿真設計
功分網絡仿真模型如圖10所示，
圖10功分網絡仿真模型
仿真得到的激勵幅相數據如表1所示
表1 仿真與PSO優化幅相數據
從表1中可以看出，該功分網絡較好的實現了PSO優化出的激勵幅相值。
3.4整體仿真結果
圖10功分網絡與圖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方向圖對比如圖12所示
圖12仿真與目標方向圖對比
從圖12可見仿真方向圖在-60°~+36°范圍內與目標方向圖吻合較好，在此范圍之外與目標方向圖略有差異；這是由于天線對網絡耦合影響了網絡實際輸出的幅度和相位，仿真方向圖在遠離主波束的角度與目標方向圖有些差異；該仿真方向圖總體可以滿足后向防撞雷達BSD，LCA，RCTA三種功能應用。
4 結論
本文設計了一種工作在77GHz-79GHz頻段，用于汽車后向防撞雷達的波束賦形陣列天線；首先根據雷達對于俯仰面方向圖高增益低副瓣的需求，設計了串饋貼片線陣，實現了-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PSO粒子群優化算法優化出可以實現方位面賦形波束的激勵幅相值；接著設計了1分6的串饋功分網絡實現了優化算法得到的激勵幅相，最后將網絡與天線面陣連接完成波束賦形陣列天線的設計。該波束賦形陣列仿真方向圖與目標方向圖吻合較好，對應用于77GHz汽車防撞雷達的賦形天線設計具有一定的參考價值。
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