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77GHz雷达应用阵列天线设计的对比
摘要 - 本文介绍了两种工作于77GHz频段雷达的微带阵列天线。第一种阵列天线是10times;4个单元的矩形贴片阵列天线，它的总体尺寸为20.43mmtimes;7.83mm。该种天线的基本单元是一个矩形贴片。每十个基本单元通过串联馈电组成一列，利用简单的功率分配器结构将这些列组成10times;4的阵列。第二种类型的天线是12times;4叶子形阵列天线，总体尺寸为16.72mmtimes;10.75mm。第二种类型的基本单元是从微带馈线线轴倾斜45°的矩形贴片。十二个贴片单元分布在微带馈线的两边，并且在拐角处与馈线直接相连。在天线模型末尾的贴片是作为匹配单元存在的。包括12times;4基本单元的整个天线阵列是由简单的功率分配器结构连接的。两种类型的天线都是由不同类别的包含两层金属印刷在介质基片上的波导到微带转换结构结合而成的。波导到微带转换是由WR10标准波导馈电。通过模拟仿真和检测验证两个天线的性能。矩形贴片阵列天线在77GHz时具有19.8dB的增益和20otimes;10o 的波束宽度，而叶子形阵列天线则具有19.6dB的增益和19otimes;11.6o的波束宽度。两种类型的天线都可以进一步研究，作为工作于较高频率（例如94GHz）下的雷达系统的天线设计的参考。
1、介绍
由于在雷达应用中需要更好的探测距离和角度分辨率，所以工作于高频率（如77GHz）下的雷达的研发正在变得越来越受欢迎。汽车雷达是77GHz雷达应用中最有名的例子之一。今天的汽车雷达工作频率在两个主要频段，短距雷达为24GHz，短距离雷达为77GHz。近来，77GHz频带是更优选的，因为波长越短。分辨率越好。除了汽车雷达，还可以将77GHz雷达应用于其他领域，如成像雷达和合成孔径雷达。由于平面天线具有低成本，低剖面，制造简单和与系统的其他部分的集成较为简单等特性，所以它是 77GHz雷达应用中最合适的天线类型之一。矩形贴片被认为是平面天线设计中最简单的。通过组合串联馈电矩形贴片列阵列，我们可以设计符合汽车雷达应用要求性能的天线结构。除了天线之外，波导到微带线的转换也对整体性能起着重要的作用。这种结构是用来连接平面天线和RF电路。转换结构也应该具有较好的性能，如低成本，低剖面，易于与系统集成。在本文中，设计了两种谐振频率为77GHz的天线。第一种是10times;4矩形贴片阵列天线，第二种是12times;4叶子形阵列天线，它是由矩形贴片阵列天线变形得到的。每一种天线都是由不同类型的波导到微带转换结构组合而成的。使用3D电磁仿真软件检测两种天线的性能。最后，将两种天线的仿真结果进行比较，以供将来继续研究。
2、波导到微波转换结构
本节介绍了两种假定由WR10标准波导馈电的波导到微带过渡结构。第一种转换类型基于[4]，而第二种类型基于[5]。两种类型的转换结构都由印刷在单个电介质基底上的两个金属层组成。基板的厚度和介电常数分别为0.127mm和3。第一和第二转换类型的结构分别如图和图2所示。在图中，黑色表示金属层，灰色表示通孔，白色表示介质基板。参数值如表1所示。两种转换类型的性能相似，并且转换结构的顶层传输线模式的尾端传输系数优于的-0.4dB。
3、阵列天线的设计
3.1、天线类型1
第一种天线阵列印刷在接地介质基片上。基板的厚度为0.127mm，材料的介电常数是3。第一种天线的基本单元是矩形贴片。通过使用简单的功率分配器结构，将10个单位元件的串联馈电列结构组合成10times;4阵列。阵列的整体尺寸在y方向上为20.43mm，x方向为7.83mm。天线结构如图3所示，天线各参数值如表2所示。
3.2、天线类型2
第二种天线阵列印在接地电介质基片上。基板的厚度和介电常数分别为0.127mm和3。第二种天线类型的基本单元是在微带馈线两侧倾斜45°的矩形贴片。微带馈线两侧分布了十二个贴片，并直接在拐角处相连。在结构末尾的另一个贴片是匹配单元。该贴片里的馈电点控制整体天线的输入阻抗，所以它可以被做来增强匹配而不是影响中心频率。通过使用简单的功率分配器结构创建由12times;4单元元件组成的阵列。阵列的整体尺寸在y方向为16.72mm，x方向为10.75mm。天线结构如图4所示，参数值见表3。
4、模拟和测量结果
4.1、类型1天线和转换器的仿真结果
天线类型1通过将天线功率分配器结构上馈线的末端与转换器结构顶层上的微带线连接，与转换器1相连。反射系数、phi;= 90°的辐射方向图、phi;= 0°的辐射方向图的仿真结果如图1所示。从中我们可以看出，77GHz处的反射系数为-13dB。最大增益为19.8dBi，phi;= 90°和phi;= 0°的3dB带宽分别为10°和20°。
4.2、类型2的天线和转换器的仿真结果
通过将天线功率分配器结构上馈线的末端与转换器结构顶层的微带线连接，将第二种天线与过渡型2相结合。反射系数、phi;= 90°的辐射方向图、phi;= 0°的辐射方向图的仿真结果如图7所示。从中我们可以看出，77GHz处的反射系数为-20dB。最大增益为19.6dBi，phi;= 90°和phi;= 0°的3dB带宽分别为11.6°和19°。4.3、反射系数测量结果
使用矢量网络分析仪测量两种天线类型的反射系数。测量设置如图5所示。附加的夹具结构被设计和制造为WR-10波导的组装结构的一部分。反射系数的测量结果由图6（a）， 7（a）中的虚线表示。测量结果表明，77GHz天线类型1和2的反射系数分别为-21.98dB和-11.17dB。
4.4、讨论与比较
本文设计的两种天线和转换结构旨在找出符合我们77GHz雷达系统要求的平面天线结构的合适设计。在我们设计的系统中，天线辐射图的所需波束宽度应至少为12otimes;6o。通过使用矩形贴片阵列天线和叶子形阵列天线，我们设法在y方向上达到足够的波束宽度（x和y的方向如图3和图4所示）。矩形贴片天线阵列实现这种性能所需的最小串联馈电辐射单元的数量的10个贴片单元，叶子形天线阵列的是12个贴片单元（加上一个附加匹配贴片）。另一方面，只通过在方位角方向上排列4列阵列，两个天线类型的x方向的波束宽度都不能满足系统要求。排列超过4列的串联馈电列可以在方位角方向上获得更好的波束宽度值。然而，构建这种阵列所需的功率分配器结构将会带来更多的损耗和更大的匹配难度。在性能方面比较两种类型的天线，两种类型的谐振频率都在77GHz附近，具有类似的增益和波束宽度。然而，与第二天线类型（16.72mmtimes;10.75mm）相比，第一天线类型（20.43mmtimes;7.83mm）的总体尺寸更紧凑。此外，第一种天线类型的设计更为简单，并且所需辐射单元较少就可以获得与第二种天线类型相似的性能。
5、结论和未来工作
两种谐振于77GHz的雷达阵列天线都处在研究阶段。它们都与工作在单介质基板结构中的不同类型的波导到微带过渡相结合。第一种天线类型为10times;4矩形贴片阵列天线，与第一种转换结构相结合，在77GHz下产生19.8dBi增益和20otimes;10◦波束宽度。第二种天线类型为12times;4叶子形阵列天线，与第二种转换类型相结合，在77GHz下产生19.6dBi增益和19◦times;11.6◦波束宽度。通过仿真结果我们可以看到两种类型的天线有相似的辐射性能。然而，与第二天线类型相比，第一种天线类型以其简单性和紧凑性的特性成为更加更优的选择。对于未来的研究，我们将继续优化第一种天线（矩形贴片阵列）并且将它作为94 GHz雷达系统天线设计的参考。
通告
这项研究是由科技部的支持下，信息通信技术和未来规划，韩国，“它契合创意计划”（iitp-2015-r0346-15-1008）的信息与通信技术推广研究所监制。这项研究也支持了民用军事技术合作计划。
使用天线扫描系统研究77 GHz和94GHz4times;4平面天线阵列的特性
摘要：为了获得更大的带宽，天线的谐振频率逐渐向更高的毫米波和亚毫米波范围发展。天线是任何通信系统中必不可少的组成部分。因此，我们在本文中展示了两个工作在77 GHz和94 GHz的4x4相控阵贴片天线的设计与辐射特性。我们还提出了一个从平面结构的矩形波导源到贴片天线的辐射的转换模块。用一种新的高精度天线扫描系统测量天线的辐射方向图。天线的设计可以用于通信和天线测量技术的发展。
关键词-天线阵列，相控阵，天线辐射模式，贴片天线，毫米波测量，测量技术。
一、介绍
近年来，我们可以感受到通信领域对高频的显著需求。这种需求预计将进一步增加，在未来几年内接近太赫兹频段。由于在这些频段存在较高的大气衰减和较高的能量的吸收，所以一个可靠的通讯系统中高增益的收发天线显得尤为重要。相控阵天线具有重量轻、价格便宜、集成较为简单等特性，因此与其他天线相比更有吸引力。本文中我们提出了频率为77和94 GHz且具有矩形波导平面结构的过渡结构的平面相控阵天线。为了提高天线的稳定性并且最小化波导的反射系数，我们将一个基于四分之一波长的特殊模块和一个短的连接结构附在平面天线上。每个天线阵列包括4times;4个贴片单元，并且使用威尔金森分频器/合路器匹配每个贴片阵列的输入阻抗。信号源是基于网络分析仪和频率混合器的矩形波导输出。采用一个新的高精度的空间分辨率为1°的天线扫描仪对本文设计的天线进行测量。
三、天线设计
图1所示的平面天线包括在射频基板（罗杰斯3003 TM）上的4x4个贴片阵列。贴片被设计在由两阶段威尔金森分压器馈电的四个线性阵列之间。信号源是从WR-10波导耦合通过基板的平面结构的地面，然后连接到微带馈电线进一步对天线贴片。图2显示了包括基板的阵列结构。（a）中是这个结构的正面显示。对结构孔的右侧作法兰的精确布置。图2（b）展示的是金属表面仅在波导接触位置上蚀刻的背面。
波导到平面的转换
77 GHz和94 GHz的信号产生是通过使用矢量网络分析仪、频率与矩形波导输出扩展哎产生的。为了衡量天线性能，我们设计了一个转换适配器来将辐射从WR-10波导法兰传输到贴片天线的馈线，并且反之亦然。它由四分之一波长金属板组成，如图2（C）所示，它们位于法兰表面并且由一个短的金属板终止，如图2（D）所示。在WR-10 1/4波长金属板上，留出宽度L的缝隙是为了避免与该贴片馈线接触。此外，转换适配器提供了必要的机械稳定性，这是可重复测量必须的。模拟仿真中也需要加上转换模块。用高精度铣床制作四分之一波长金属板。使用拥有基于有限集成技术的真正的时域模拟器的仿真软件CST微波工作室来设计和模拟天线。
四、测量
拥有频率扩展模块（R和S zva-z110）的矢量网络分析仪（R和S zva-50）被用于天线的测量。在回波损耗约- 10dB时，77 GHz和94 GHz的天线能够实现阻抗匹配。测量和模拟之间的误差可接受的对比如图3。它们之间存在差异是由于不完善的天线和馈电波导之间的机械连接，以及制造误差。仿真参数设置也可能是这种缺陷的原因。
天线扫描
为了测量天线阵列的辐射方向图，我们采用了一种新的高精度天线扫描系统。扫描系统是搭建在我们的实验室，为了记录和测量误差更小，其中角分辨率可以精确到0.1°。图4中描绘的天线扫描器有两个臂，每个臂上放置一个天线。右臂固定在轨道上，距离左臂三米。左臂在水平面内从90°到plusmn;90°范围内旋转。扫描仪安装在一个配备吸收剂的半消声室，以尽量减少反射和屏蔽外部信号。
辐射方向图
天线阵列被固定在垂直方向上的法兰表面的水平旋转混频器上（见图4）。通过在衬底背面蚀刻的地面传输辐射并耦合到天线阵列的馈电线上。对频率混频器的高度进行了修改，使天线阵列位于喇叭天线相同的高度。20dB的标准增益喇叭天线（FLANN 27240-20）放置在右手臂的混合器上。我们测量从喇叭天线发射到天线阵列50厘米距离的信号。旋转（左）臂是从水平面角度- 90o到 90°扫描。图5显示的辐射方向图是作为旋转角功能的发送（S 12）自喇叭天线由天线阵列接收之间的。图中比较A（a）77 GHz和（b）94 GHz阵列的测量的传输性能与模拟的之间的差别。两天线都有优于10 dBi的方向系数。测量和模拟显示出良好的统一，特别是围绕主瓣。然而，反射系数的差别也是存在的。
六、结论
在本文中，我们提出了基于罗杰斯3003介质板的频率为77 GHz和94 GHz的4x4平面相控阵天线。使用高精度天线扫描系统的天线进行了表征。采用矢量网络分析仪和频率扩展模块的W频段（75千兆赫- 110千兆赫）产生信号。转换模块旨在通过在接地导体上的WR-10窗口蚀刻从矩形波导到平面天线结构传递辐射。然后辐射在基板中传输到平面结构的馈线。一种改进的四分之一波长金属板和一个短的用于减少波导管内的反射，从而减少回波损耗。天线阵列匹配良好，并表现出良好的指向性的目标频率。测量和仿真吻合得很好。
用于远程检测结构振动简单的微波传感器
摘要：提出了一种用于检测较大建筑振动动态特性的简单微波传感器。它包括能够通过测量反射波的相位来检测结构运动的连续波雷达。在监测人行天桥的案例研究中已经证明了系统性能。
简介：最近推出了一种远程传感器，可以测量具有与传统接触加速度传感器提供的性能相当的结构的动态特性[1,2]。根据雷达设计人员将连续波步频（CW-SF）称为运行模式，传感器基本上由相干的Ku波段雷达组成，以一定间隔间隔发射一组连续波。该雷达配有两个喇叭发射/接收天线，提供照明结构的成像，其范围分辨率与阶梯频率扫描的带宽一致。
以足够的时间速率（高达100Hz）获取的图像进行干涉处理能够跟踪振动并测量振动结构的频率。该干涉测量传感器已被应用于桥梁，塔和坝的动态监测[3,4]。传输频率的数量可以设计成几千个，在17 GHz附近的扫描带宽可以大到400MHz。对所接收的连续波的复杂
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