A Wideband Narrow Beam 1x6 Linear Antenna Array for Automotive Radar and 5G Millimetre-Wave Applications

技术摘要：用于汽车雷达和 5G 毫米波应用的宽带窄波束 1×6 线性天线阵列

问题陈述
毫米波（mm-wave）频段（24–300 GHz）对于高容量、低延迟系统（如 5G 网络、汽车雷达和车联网（V2X）通信）至关重要。然而，这些信号遭受严重的自由空间路径损耗和多径衰落，通常需要提供高有效全向辐射功率（EIRP）。虽然增加发射功率是一种选择，但电磁场（EMF）暴露的监管限制，特别是在汽车和医疗环境中，限制了这种方法。因此，通过窄波束、高方向性阵列来增强天线增益是更优的解决方案。

现有文献提供了多种高增益解决方案，包括漏波天线、基片集成波导（SIW）馈电和多层结构。然而，这些设计往往引入了显著的结构复杂性、高制造成本和增加的剖面厚度。此外，在毫米波频段，利用简单的平面架构实现紧凑尺寸、宽阻抗带宽和窄波束辐射的结合仍然是一个挑战，特别是在串联馈电阵列中，互耦可能导致波束倾斜和功率分布不均匀。

方法论
作者提出了一种紧凑的单层 1×6 线性微带贴片天线阵列，设计用于 28 GHz 运行。该设计采用罗杰斯（Rogers）RO3003 基板（厚度 1.574 mm，$\epsilon_r$ = 3.0，tan $\delta$ = 0.0013）以最小化信号衰减。

• 结构： 阵列由六个线性排列的矩形辐射贴片组成。
• 馈电机制： 采用串联馈电拓扑。主贴片通过微带馈线（宽度 0.5 mm，长度 1.5 mm）激励。其余五个贴片通过超窄微带传输线（宽度 0.1 mm，长度 0.5 mm）互连，以促进有效的功率分配。
• 优化： 单元间距优化为 1.9 mm。该间距对于最小化互耦至关重要，同时确保在法线方向产生相长干涉以实现窄波束。
• 仿真与制造： 设计在 25–35 GHz 范围内使用 CST Studio Suite（时域求解器）进行仿真。物理原型采用电子铣削工艺在罗杰斯基板上制造，随后对铜箔不规则处进行人工修正，并焊接 SMA 连接器。

主要贡献
本工作的主要创新点在于实现了一种紧凑、单层、串联馈电的 1×6 微带阵列，该阵列在无需复杂多层结构或 SIW 馈电的情况下，同时实现了宽阻抗带宽、窄波束辐射和高方向性增益。

• 简洁性： 该设计避免了多层基板、金属过孔或功分馈电网络的复杂性，利用带有超窄互连的简单平面结构。
• 性能平衡： 作者声称，通过精确的间距和窄互连，成功缓解了串联馈电阵列的常见挑战（如波束倾斜和带宽限制），在整个工作频带内保持了稳定的辐射性能。
• 实验验证： 与许多理论研究不同，本工作包括在微波暗室中对天线进行物理制造和实验测试。

结果
实验和仿真结果证明了该天线适用于 28 GHz 应用：

• 阻抗匹配： 测得的反射系数（$S_{11}$）在 28.8 GHz 处显示出约 –33 dB 的深谷。–10 dB 阻抗带宽跨越 1.2 GHz（27.5 GHz 至 28.7 GHz），覆盖了目标 5G 和汽车雷达频段。
• 电压驻波比（VSWR）： 在工作频带内，电压驻波比保持在 2.0 以下，在 28.8 GHz 处最小值为 1.06。
• 增益与方向性： 在 28 GHz 处观察到约 9.9 dBi 的峰值实现增益。
• 辐射方向图： 阵列表现出定向扇形波束特性。在 $\phi = 0^\circ$ 平面，主波束指向 $\theta \approx 40^\circ$（3 dB 波束宽度为 86.3°），而 $\phi = 90^\circ$ 平面显示出窄且高方向性的波束。旁瓣电平测得为 –3.1 dB 和 –4.7 dB，表明抑制有效。
• 电流分布： 表面电流分析证实所有六个单元均被均匀激励，验证了串联馈电设计并表明不存在显著的电流不连续性。
• 差异： 观察到仿真与测量结果之间存在轻微的频率偏移，归因于制造公差、基板介电常数变化以及 SMA 连接器的寄生参数，这在毫米波实现中是常见的。

意义与主张
该论文将这种设计定位为下一代无线系统的实用、低成本解决方案。作者声称，该天线为智能交通（例如变道检测、盲点监测）和 5G 毫米波通信（例如点对点回程）中的紧凑、高性能波束赋形系统提供了一种有前景的替代方案。

这项工作的意义在于其能够利用简单的单层制造工艺提供高增益和宽带宽，使其适用于空间受限的平台，如自动驾驶汽车和物联网设备。作者指出，据其所知，此前尚未报道过针对汽车雷达和 5G 应用、具有宽带性能、窄波束辐射和简单平面制造工艺的 1×6 串联馈电阵列的特定组合。未来的工作建议集中在阵列集成和波束赋形技术上，以进一步增强覆盖范围和敏捷性。