双频带/宽频带印制天线及车载防撞雷达的研究

发布时间：2016-08-04 09:47

第一章  绪论 

1.1 课题研究的背景及意义 
1905 年，马克尼通过改进赫兹所用的天线系统发明了方锥形天线，接着在随后的一年里，创办了正规的无线电通讯服务，揭开了无线通讯的帷幕。 步入 20 世纪，无线通信技术得到了突飞猛进的发展。导航雷达、空间探测、电子信息对抗和射电天文等无线电应用领域[4]的出现加速了无线电技术的发展，与此同时制作精度、加工工艺的不断提升，特别是 VLSIC 技术、LTCC 技术、MIC 技术[5]的出现，使得现代通讯设备的体积变得越来越小，重量越来越轻，可并行处理信息的能力不断提升，工作频带越来越宽。这些发展趋势使得移动设备的射频前端——天线部分遇到前所未有的挑战[6]。如何才能设计出具有体积小、工作频带宽、可实现多点通信的印制天线是每个射频研发人员需要考虑的问题。而微带天线具有占用空间小、辐射能量集中、可与其它元器件集成到微波电路中、加工成本低等优势，目前广泛用于雷达、导航、空间探测、以及其它无线通信领域。基于此，本文对天线的结构进行全新的设计，并利用高频电磁仿真软件对其进行仿真优化，设计了几款具有小型化、宽带化以及双频段等特性印制天线。 随着生产、制造技术的不断提升，汽车工业发展到一个鼎盛的时期。大量车辆的涌现，使原本畅通的道路变得十分拥挤，交通事故频繁发生。根据日本 2003 年的道路交通事故统计数据，汽车追尾事件的发生率占该国交通事故的 30%以上，造成经济损失约为 1230 亿元美元。相对于日本，美国的交通事发生的更加频繁，预计到 2020 年将有1500 亿美元的经济损失是由交通事故造成的[7-8]。
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1.2 国内外研究现状
随着通讯业务的不断拓展以及用户数量的增加，现有的频率资源已经变得十分枯竭，无法满足客户的需求，需要通过一些技术手段来拓宽频带，提高频率资源的利用率，而传统意义上的天线只能单独工作在某一个特定的频带，如果能够设计一款天线使其工作在多个频段，不但简化了无线通信设备的复杂性，而且使得电子设备更加小型化、多任务化。 微带天线、缝隙天线、倒 F 天线以及单极天线是几种常见的多频带印刷天线[11-12]。其中，微带天线具有低剖面、易于集成、定向辐射、工作频带窄的特点[13-17]。关于如何实现微带天线的多频带化，文献[18-24]提供了一些可供参考的设计方法。如文献[18]中的 E 形天线是通过在矩形贴片边缘开槽的方式实现三频段工作；文献[19]中的 E 形和 U形宽带天线分别通过探针、孔径耦合馈电方式来实现 WLAN 频段的工作，其中孔径耦合馈电可拓宽频带的宽度；文献[22]中的多频段天线是通过采用弯折技术和开槽的方法实现 Wi MAX 频段通信。 倒 F 天线是由 1/4? 单极子天线衍变而来的。通过在接地平面和辐射单元间引入短路金属片来增加天线的感性阻抗部分，保持天线的谐振特性。该印制天线具有非对称的辐射方向图、较小的尺寸、易于集成等特点，通常在 WiFi， Wi MAX ，WLAN 以及军事方面[25]、ISM, HIPERLAN 和  UNII 频段[26-28]  、笔记本电脑[29]、移动手机[30-33]等领域有广泛的应用。 印刷单极天线在水平方向上呈现全向辐射特性，具有设计简单、占地面积小、频带较宽、易于集成特点，广泛应用于现代通讯中。印刷天线的多频段、宽频段特性的实现可以归纳为下面的几种方法：  第一种是增加谐振枝节法。随着通信技术和制作工艺的不断提升，人们希望设计出几款能够工作在某些特定频段的天线。而 N 端口馈电网络理论的成熟，为设计者提供了一些设计思路即在单一频段的天线结构上加入几段谐振枝节，使其具有多频段的工作特性，针对此国内外的一些学者进行了初步的探索。文献[34]中给出了一种采用共面波导馈电的双频单极子天线，该印制天线更容易和微波电路集成、具有双频段的工作特性，短的谐振枝节工作在第一谐振模式(1781MHz 附近)，长的谐振枝节工作在第二谐振模式(2540MHz 附近)；文献[35]介绍了一种共面波导馈电的三频段单极子天线，该天线通过在单极子天线上附加加两个谐振枝节实现 2.4GHz、3.5GHz 和 5.8GHz 这三频段的通信。文献[36]给出了一种微带线馈电的多频段单极子天线，该天线是由 E 型结构和 C 型结构构成，通过增加多个谐振枝节，构成多个等效谐振电路来实现多频段工作特性。 
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第二章  天线及其阵列的基本理论

信息的传输促进了人与人之间的交流，使人们的生活方式变的丰富多彩，而人们生活水平的不断提高，反过来对信息的传输提出了新的要求。从古代的烽火到近代的旗语、电报、电话，再到现代的无线电技术，人类从未停止过对高速有效传输方式的探索。天线作为现代无线通信系统中重要的部件，提供了从传输线上的波导或电路中的高频电流到空间电磁波的转化。本章将系统的阐述天线的基本性能参数和组阵列理论，为后面几章中的天线设计提供理论指导。

2.1 天线概述

天线是具有接收和发送功能的部件，可作为无线电子设备的射频前端，完成信号的传递。作发射时，，首先将无线电通信线路中发射器或发射机携带的信息，转化成与其匹配线路上的导行波，然后沿着渐变张开的传输线，将导行波向自由空间辐射，完成信息的发送，如图 2.1(a)所示；作接收时，将自由空间中与天线极化方向相匹配的电磁波，转化成电路中的电流信号，最后通过中频信号处理模块将获取的模拟信号转化成一定的信息，完成信息的传递。如图 2.1(b)所示。天线的种类繁多，根据不同的分类方式可分为不同类型的天线。本节根据其应用的不同，将前人设计出来的天线分为以下几种情况：  ① 线天线(wire  antenna)：如单极子天线、偶极子天线、环形天线等其他结构。这类天线工作频率低、频带窄、增益低、重量轻、设计简单、价格便宜，通常用在 HF 到UHF 频段。 ② 印制天线（printed antenna）：印制偶极子天线、印制缝隙天线和微带电路天线。这类天线通过光刻的方法将辐射元件和相应的馈电电路蚀刻在介质基片上，易于集成，常用在微波和毫米波电路设计中。 ③ 阵列天线(array antenna)：由某种特定规则排列的天线阵元和相应的馈电网络组成的一个定向辐射器件。根据几何结构又可以分为：直线阵、平面阵和共形阵。 ④ 孔径天线(aperture  antenna):是微波和毫米波频段普遍应用的天线，包括矩形喇叭、圆形喇叭、终端开路波导、发射器以及透镜。 

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2.2  天线的基本参数
天线作为收发器件，位于传输线的终端，可视为高频电路中传输线的一个负载[46]，其二端口网络如图2.2 所示。辐射方向图(Field Pattern)是指天线辐射特性（如电场强度、相位大小、功率值和极化）与空间坐标的函数图形。在没有特别说明的情况下，辐射方向图就是指场强方向图，该图形的获取可通过两种方法得到：一是对复杂的电磁问题建模并利用数学物理方法对该模型进行理论分析、求解，得到远场区的辐射特性，计算并绘制出相应的方向图；二是对待测的天线进行测量、记录、分析数据，描绘出相应的辐射方向图。 天线的极化是用来描述天线在远场区最大增益方向上电磁波的极化特性。对于发射天线来说，天线的极化是指该天线在主波束范围内最大增益处的极化特性；对于接收天线，其极化通常是指所接收到最大可用功率的电磁波极化特性。 根据极化方式的不同可以分为：线极化(Linearly  Polarized)、圆极化(Circularly Polarized)、椭圆极化(Elliptically Polarized)；线极化又包括水平极化(Horizontal Polarized)和垂直极化(Vertical Polarized)，区分的标准是电场矢量与地面的关系，若是平行关系就是水平极化，垂直关系则为垂直极化；对于圆极化和椭圆极化根据电场矢量的旋转方式分为右旋极化或左旋极化.
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第三章  双频带印刷天线设计与分析 .... 17 
3.1 微带天线基本理论 ........... 17 
3.1.1 微带天线结构及工作原理 ......... 17 
3.1.2 微带天线馈电方式 ........... 19 
3.2 双频段微带天线设计 ....... 19 
3.2.1  双 1 型双频微带天线设计与分析 ...... 20 
3.2.2 应用于 GSM/ DCS 的双频微带天线设计与分析 ............. 24 
3.3 本章小结 ....... 30   
第四章  宽频带印刷天线设计与分析 ..... 31 
4.1  微带天线频带拓宽技术 ............. 31
4.2  宽频带印刷天线设计 ....... 34 
4.2.1 树叶形宽带天线设计与分析 ...... 34 
4.2.2 酒杯形宽带天线设计与分析 ...... 39
4.3 本章小结 ........ 44 
第五章  车载防撞雷达天线阵列的设计与分析 ......... 45 
5.1 车载防撞雷达系统介绍 .... 45
5.2 微带天线阵基本原理 ........ 47 
5.2.1  微带线阵 ....... 48 
5.2.2  微带面阵 ....... 48 
5.3 24GHz 车载防撞雷达天线阵列设计 ............. 49
5.4 本章小结 ........ 57 

第五章  车载防撞雷达天线阵列的设计与分析 

现代电子技术的出现以及生产制造技术的不断提升，促进了我国汽车制造业的发展。特别是汽车的出现加快了城镇化的进程，同时也给城市的交通带来了一些问题，建立一套完善的现代交通体系——智能交通系统 ITS  ( Intelligent Transportation System )刻不容缓。车载防撞雷达是一种微波、毫米波雷达，具有高精度、体积小、易于集成、体积小等特点，广泛应用于汽车防撞系统中。本章在介绍车载防撞雷达原理以及天线阵的基础上，设计了一款工作在 24GHz 频点处的宽频带、高增益的车载防撞雷达天线。 

5.1 车载防撞雷达系统介绍 
车载防撞雷达系统是由接收天线、接收前端、发射天线、发射前端、信号处理模块、报警模块以及汽车控制装置这几个部分组成，其原理框图如图 5.1 所示。 其中收发天线模块通常是以微带天线阵列实现的，具有易于集成、占用空间小、可靠性高、成本低等特点。收发前端作为车载防撞雷达系统的射频部分，主要完成信号的调制和解调，以及射频信号的收发。信号处理模块属于该通信系统的中频部分，用来消除信道中的噪声提取有用的信号或者信息，通过报警模块提醒使用者或者直接控制车辆，避免交通事故的发生。 FMCW 雷达的工作原理可概括为：馈电部分将电信号传递给天线阵列，通过该天线将电信号转化为一系列的连续调频毫米波向特定的方向辐射出去，当碰到障碍物或者检测目标以后被反射回来，反射信号与本振信号经混频器混频得到中频信号，通过对中频信号的处理，获得目标物体的距离和车速等信息。图 5.2 为车载雷达测距原理，其中发射信号的频率是按照三角波调制电压信号变化而变化的，由于收发信号的波形一样，只是时间上有一个延迟，所以收发信号的波形图与下图 5.2(a)波形相吻合。
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结论

无线通信技术的飞速发展以及系统集成度的不断提高，大大减小了通信系统的体积，提高了系统稳定性。天线作为无线通讯设备的收发前端，其体积的大小将影响整个系统的性能。印制天线具有体积小、易于集成等特点，可使设计出来的设备具有高集成度和稳定性。 传统的印制天线增益低、带宽窄、工作频带单一，不能满足宽带通信系统的要求，如何才能设计出具有高增益、较宽的频带或者是多频段的印制天线是当前的研究热点。本文针对这些问题设计了几款天线，可用来解决频带单一、增益低、带宽窄的问题。 车载防撞雷达系统是为了解决交通问题，欧美国家提出了一种新的思路，该系统将新的信息处理技术、通信技术、控制技术、电子集成技术等新型技术手段应用在道路交通上，使交通系统协调统一，减少事故的发生。由于应用于汽车上所以要求该雷达应具有易于集成、高增益、体积小的特点，同时收发天线要尽可能的集成在一块印制板上。本文针对此设计了一款高增益、易集成、体积小、具有一定的隔离度的车载防撞雷达天线阵。 
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参考文献(略)

本文编号：84424