相信大多數(shù)人都知道無人機(jī)也非常想親身體驗(yàn)一下無人機(jī)的操作，我們生活中看到的無人機(jī)更多用來航拍娛樂，但其實(shí)我們看影視劇也可以發(fā)現(xiàn)無人機(jī)可以用于監(jiān)測敵方或者軍事上，同時(shí)無人機(jī)也可以與射頻技術(shù)結(jié)合用于科研。今天要給大家介紹的就是可用于無人機(jī)高度測量的毫米波雷達(dá)微帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過完成該天線的自主設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化、制作和測試的過程， 能讓大家更多的了解無人機(jī)里面的技術(shù)原理。
1、天線指標(biāo)要求
無人機(jī)高度計(jì)雷達(dá)不需要測障礙物方位角，只需要把距離最近的障礙物的距離信息測量出來即可，所以可以采用單發(fā)單收形式。結(jié)合無人機(jī)的應(yīng)用場景和 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被廣泛應(yīng)用于毫米波雷達(dá) 。
2、實(shí)驗(yàn)過程
整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，首先要根據(jù)具體指標(biāo)選擇合適的板材，然后是對天線尺寸、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，但如果板材過厚，會影響天線輻射效率。此外，相對介電常數(shù)越低，工作帶寬越大。Ｒo4350b 板材是 K 波段天線的常用板材，電路設(shè)計(jì)推薦參數(shù)為: 相對介電常數(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。考慮到輻射貼片的邊緣效應(yīng)，矩形貼片單元的長度為 L:
上式中 ε e 為有效介電常數(shù)，ΔL 為末端效應(yīng)長度，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側(cè)饋方式。在饋線與輻射單元接觸點(diǎn)處開兩個(gè)矩形槽，用于阻抗匹配，如圖 1( a) 所示，矩形槽深度 L 1 約等于貼片長度的三分之一，寬度 W 1 通過優(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，可以看出單天線增益和波束寬度均無法滿足設(shè)計(jì)要求，需要用天線陣列來完成設(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 天線陣列設(shè)計(jì)
（1) 天線形式確定
天線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; 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。為滿足單元副瓣抑制條件，單元間距 d 必須小于波長λ 0 ，適當(dāng)縮小單元間距可以更好實(shí)現(xiàn)陣列天線的小型化，相應(yīng)的會增大波束角，所以單元間距 d 選擇 6mm。根據(jù)天線指標(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)
陣列天線示意圖如圖 4( a) 所示，根據(jù)該示意圖可以畫出右邊兩個(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 為微帶線特性阻抗，Z c1 和 Z c2 為 90°電長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 天線陣示意圖
(3) 陣列天線仿真
按照圖 4( a) 的天線示意圖進(jìn)行建模，得到陣列天線三維模型如圖 5 所示。
圖 5 天線陣 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，滿足設(shè)計(jì)要求。
圖 6 天線陣輸入端口仿真結(jié)果
圖 7 天線陣方向圖仿真結(jié)果
天線在 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°，滿足設(shè)計(jì)要求。
2．4 天線加工與測試天線仿真完畢后，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 天線實(shí)物
測試包括天線駐波比測試和方向圖測試兩部分。其中，駐波比測試是利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成，天線方向圖測試，需要在微波暗室內(nèi)進(jìn)行，成本較高而且耗時(shí)很長，因此測試時(shí)應(yīng)選擇個(gè)別仿真和反射系數(shù)結(jié)果較好的天線進(jìn)行測試。圖 8 對應(yīng)的學(xué)生設(shè)計(jì)出來的天線端口測試結(jié)果見表 1 和圖 9，從圖中可見在工作頻率范圍內(nèi)，天線輸入駐波比均在 1． 5 以下，滿足要求。表 1 高度計(jì)天線輸入端口測試結(jié)果
圖 9 天線駐波比 S 11 參數(shù)實(shí)測結(jié)果
該天線實(shí)測方向圖如圖 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 天線實(shí)測幅度方向圖3 結(jié)語在教育部當(dāng)前開展新工科研究與實(shí)踐的背景下，今天給大家開展了射頻電路設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的探索，開發(fā)了用于無人機(jī)高度測量的毫米波雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)緊跟科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展前沿，內(nèi)容涵蓋的知識點(diǎn)多，將微波技術(shù)、射頻電路和天線原理等方面的知識有機(jī)融合，通過一個(gè)完整而又系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，模擬解決實(shí)際工程問題的研發(fā)步驟，讓大家獲得更多的探索體驗(yàn)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
