摘要： 本文設計了一個新的射頻電路設計性實驗項目———可用于無人機高度測量的毫米波雷達微帶天線的設計與實現。該實驗項目通過讓學生完成該天線的自主設計、仿真、優化、制作和測試的過程，引導學生來深入體會實際射頻工程中的實際流程和方法，從而提高其學習興趣，進而進一步培養其工程素質、實踐能力和創新精神。

引言

隨著現代科技的進步，電子系統工作頻率正逐步向更高頻段發展，微波與射頻技術在無線通信、導航、遙感和生物醫學等領域發揮著關鍵作用，射頻工程專業人才十分緊缺 。“射頻電路”是“高頻電子線路”、“微波技術”等課程的后續課程，它作為通信工程、電子工程、電波傳播與天線等專業的主干課程，其目的是讓學生通過理論學習和實踐，能夠掌握相關的基本原理和系統知識，培養具有射頻電路設計、系統分析和創新能力的微波射頻專業人才 。實踐教學對于射頻微波工程人才的培養具有舉足輕重的作用，僅靠傳統的射頻實驗箱來完成一些驗證性實驗已經不能滿足要求，因此很多高校針對電子信息類射頻電路實踐教學遇到的問題展開了一系列的探索和研究。在傳統的測量實驗的基礎上，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踐教學中 。部分高校還進行了綜合實驗項目的嘗試，收到良好的教學效果 。結合近幾年的實驗教學情況，我們也進行了積極的嘗試，在已有的仿真設計實驗的基礎上，結合我院相關專業的科研成果，進行設計性和創新性實驗項目的探索與開發。在項目內容的選擇上，旨在將專業應用前景和當前技術水平相結合，設計出一些既貼近科研又能夠滿足機理相對簡單、實現起來難易適中等要求的項目，這樣才能讓學生感興趣并取得好的教學效果。近年來，無人機在航拍、農業、植保、快遞運輸、災難救援、測繪等領域的得到了廣泛應用。在無人機測高避障安全領域中，毫米波雷達以全天時全天候工作，作用距離遠，抗干擾性好等優勢受到青睞。在無人機的底部、前側方和后側方裝配高精度毫米波雷達，完成高精度的高度測量，從而實現無人機精準懸停、高度調節、地形跟蹤、輔助起飛降落等功能，這是目前業界正采用的有效方案，具有廣泛的應用前景和較高的應用價值 。因此，本文選取可用于無人機高度測量的毫米波雷達天線設計作為一個新的射頻電路實驗項目，其可設計性強，應用場合清晰，工程性強，難易度適中，學生們也比較感興趣。該實驗項目讓學生通過該天線的理論設計、仿真與優化、實物制作和測試的過程，最終設計并制作出符合指標要求的微帶天線，從而深入體會實際射頻工程中的方法和流程，在實踐過程中提高其工程素質、實踐能力和創新精神，進而達到全面提高教學質量的目的。

1 實驗目的和設計目標

1．1 實驗目的

鑒于毫米波雷達在無人機測高領域中的重要地位，而天線的指標及性能決定了毫米波雷達的監測能力。基于針對無人機高度計對于天線工作帶寬、駐波比、天線方向圖增益和副瓣電平等的指標要求，讓學生設計出一款增益高、副瓣低、波束角窄的無人機高度計天線，項目設計過程重點包括輻射單元的設計、陣列天線饋電網絡的設計、天線綜合方法和阻抗匹配等。

1．2 天線指標要求

無人機高度計雷達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，所以可以采用單發單收形式。結合無人機的應用場景和 K 波段毫米波雷達主流射頻芯片的指標，實驗項目中所設計的天線指標如下：

●工作頻率： 24 GHz ～24． 25 GHz;

●工作頻率范圍內的駐波比： 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，各種不同形式的微帶陣列天線被廣泛應用于毫米波雷達 。本實驗也要求學生選擇微帶天線的形式來完成設計。

2 實驗過程

整個實驗的設計過程，首先要根據具體指標選擇合適的板材，然后是對天線尺寸、饋電等的初步設計，再利用仿真軟件進行輻射單元建模仿真和陣列設計，最后是實物加工和測試。

2．1 板材選擇

PCB 板材擇主要考慮三個因素： 板材厚度 h，相對介電常數 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，電路設計推薦參數為： 相對介電常數 3． 66，正切損耗 0．004，板厚選擇 0． 508 mm。

2． 2 輻射單元設計1） 天線單元的尺寸理論計算

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，矩形貼片單元的長度為 L：

上式中 ε e 為有效介電常數，ΔL 為末端效應長度，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饋方式。在饋線與輻射單元接觸點處開兩個矩形槽，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果與設計指標都有偏差，需要分析偏差原因，進行參數調整。通過仿真優化，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仿真結果

如圖 2 所示，從仿真結果可知，在 24． 125 GHz 處的 S 11 參數為－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果如圖 3 所示，單元增益為 6． 83 dBi。對比設計指標和輻射單元的仿真結果，可以看出單天線增益和波束寬度均無法滿足設計要求，需要用天線陣列來完成設計。

圖 2 輻射單元輸入端口仿真結果

圖 3 輻射單元方向圖仿真結果

2．3 天線陣列設計

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，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 ，適當縮小單元間距可以更好實現陣列天線的小型化，相應的會增大波束角，所以單元間距 d 選擇 6mm。根據天線指標 E 面半功率波束角小于 30 度，算得 N 需要大于 3． 52。結合仿真所得的單個貼片單元的幅度方向圖增益和天線指標增益要求，輻射單元數至少有 4 個。綜合考慮這兩點，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的方式。根據天線指標副瓣電平小于 － 18dB，為保留設計余量，將副瓣電平 SLL 設為 － 20dB，算得泰勒權值為 I 1 ： I 2 等于 1： 0． 6339。

2） 饋電網絡設計

陣列天線示意圖如圖 4（ a） 所示，根據該示意圖可以畫出右邊兩個輻射單元和饋電網絡的等效電路，如圖 4（ b） 所示，其中 Y 0 為輻射單元輸入導納，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 為節點處輸入導納，I 1和 I 2 為兩個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果如圖 6 所示，在中心頻率24． 125 GHz 的 S 11 參數為 － 34． 46 dB，駐波比為 1．04; 在24 GHz 和24． 25 GHz 頻點上的駐波比分別為1． 24 和 1． 22，滿足設計要求。

圖 6 天線陣輸入端口仿真結果

圖 7 天線陣方向圖仿真結果

天線在 24． 125 GHz 上的方向圖仿真結果如圖7 所示，增益為12． 12 dBi，E 面副瓣電平優化后達到－18． 35 dB，E 面 － 3dB 波束寬度為 27°，H 面 － 3dB 波束寬度為 68°，滿足設計要求。

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，學生設計完成的一個天線實物如圖 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絡分析儀完成，天線方向圖測試，需要在微波暗室內進行，成本較高而且耗時很長，因此測試時應選擇個別仿真和反射系數結果較好的天線進行測試。圖 8 對應的學生設計出來的天線端口測試結果見表 1 和圖 9，從圖中可見在工作頻率范圍內，天線輸入駐波比均在 1． 5 以下，滿足要求。表 1 高度計天線輸入端口測試結果

圖 9 天線駐波比 S 11 參數實測結果該天線實測方向圖如圖 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°，達到了設計要求。

圖 10 天線實測幅度方向圖3 結語在教育部當前開展新工科研究與實踐的背景下，我們開展了射頻電路設計創新實驗項目的探索，開發了用于無人機高度測量的毫米波雷達天線的設計實驗項目。該實驗緊跟學科領域發展前沿，內容涵蓋的知識點多，將微波技術、射頻電路和天線原理等方面的知識有機融合，通過一個完整而又系統的設計過程，模擬解決實際工程問題的研發步驟，讓學生獲得更多的探索體驗，具有很好的應用價值。目前該設計已通過畢業設計和大學生科研等形式試運行，學生反映良好，收到不錯效果，下一步將考慮以一個綜合實驗項目或者課程設計的方式引入本科實驗教學。