1. 项目概述与核心价值在毫米波频段尤其是在面向5G-Advanced和6G的集成感知与通信ISAC系统中天线设计正面临前所未有的挑战。系统不仅需要高增益、宽带宽来支持高速率通信和高分辨率雷达感知还必须能在同一硬件平台上实现通信与感知信号的共存与协同同时保持紧凑的物理尺寸。传统的解决方案往往采用空间分离的多天线系统这无疑会增加系统的体积、复杂度和成本。因此业界一直在探索如何通过创新的阵列架构和馈电网络在单一天线孔径内实现多功能集成。我们这次要深入探讨的正是一种面向这一挑战的“高集成度”解决方案一个基于稀疏阵列Thinned Array和基片集成波导SIW技术的16端口、双极化、单脉冲平面天线阵列。这个设计的核心价值在于它成功地将“双极化”、“高隔离度”、“波束赋形与扫描”以及“和差波束单脉冲”模式生成等关键功能集成在了一个单层PCB结构上。实测数据显示其端口隔离度超过55 dB峰值实现增益约22.5 dBi并能通过巴特勒矩阵Butler Matrix实现高达±60°的波束电扫描。这种设计为构建紧凑、高性能的ISAC前端硬件提供了极具潜力的技术路径。简单来说你可以把它理解为一个“多面手”天线。在通信模式下它可以通过一个极化通道发送数据流同时在感知模式下利用另一个正交的极化通道发射雷达信号并接收回波。由于两个极化通道间极高的隔离度收发信号之间的相互干扰被压制到极低水平从而实现了近乎理想的全双工Full-Duplex操作。而通过灵活的馈电网络配置它还能在远场生成精准的和波束用于高增益通信或目标探测与差波束用于高精度角度跟踪并通过相控阵原理进行波束扫描动态追踪目标。2. 核心设计思路与架构拆解这个天线设计的巧妙之处在于它并非一个传统的均匀满阵而是采用了“稀疏化子阵列”与“交叉布局”相结合的策略。理解这个架构是掌握其所有优异性能的关键。2.1 稀疏阵列与交叉布局如何实现双极化共口径传统双极化天线常采用两个正交放置的阵列单元堆叠或并排放置这会导致较大的口径面积或复杂的多层结构。本设计采用了一种更精巧的方法将整个阵列视为由四个子阵列Subarray, SA构成的网络。如图1所示这四个子阵列呈“十字形”交叉排列。其中子阵列#1和#2负责水平极化x轴方向子阵列#3和#4负责垂直极化y轴方向。为了实现两个正交极化阵列的“共口径”放置即物理位置重叠设计者在阵列中心区域移除了部分辐射单元即“稀疏化”。具体来说在每个SIW串馈分支的中心位置移除了若干个缝隙辐射器。这样做的好处是为垂直和水平分支腾出了交叉放置的空间使得两个极化的馈电网络可以在同一平面内交错而不发生物理干涉。为双极化系统建立了一个共同的相位中心。这对于需要精确波束控制和角度估计的应用如单脉冲测角至关重要。传统空间分离的双极化天线其相位中心是分离的会引入额外的测角误差。在一定程度上简化了馈电网络的布线复杂度。当然稀疏化并非没有代价。移除中心单元会破坏阵列口径场的均匀性导致副瓣电平SLL升高。仿真表明在未进行优化的情况下和波束的副瓣会恶化到约-8 dB。为了弥补这一点设计引入了缝隙渐变Slot Tapering技术。2.2 缝隙渐变技术抑制副瓣与改善匹配的利器所谓缝隙渐变是指在一条串馈SIW传输线上让一系列辐射缝隙的尺寸通常是宽度按照一定的规律变化。在本设计中从馈电点开始缝隙的宽度依次递增例如从W10.25 mm渐变到W101 mm。这种渐变实现了两个主要目的幅度加权通过控制每个缝隙的耦合强度缝隙越宽辐射越强可以对整个子阵列的口径场分布进行“整形”。采用类似泰勒分布或切比雪夫分布的渐变规律可以有效压低副瓣电平。仿真显示经过优化后的渐变设计能将和波束的副瓣控制在可接受的范围内约-8 dB至-10 dB。改善阻抗匹配均匀尺寸的串馈缝隙阵列容易在输入端产生较大的反射导致阻抗带宽窄。渐变设计可以看作一种分布式匹配网络让电磁波能量更平缓地从传输线耦合到自由空间从而展宽了阻抗匹配带宽。从图6的仿真与实测反射系数曲线对比可以看出采用渐变设计后端口的匹配性能-10 dB在24-25.2 GHz频段内得到了显著改善。2.3 灵活的馈电配置生成和差波束的开关这个16端口天线的强大功能很大程度上源于其灵活的馈电系统。每个子阵列有4个端口AP整个系统共16个端口。通过外部电路如耦合器、功分器对这些端口施加特定的幅度和相位激励可以生成四种主要的辐射模式馈电配置定义水平分支SA#1 SA#2垂直分支SA#3 SA#4生成的远场波束模式双差分馈电相位差180°相位差180°和波束R双共模馈电同相位0°同相位0°差波束D差分共模馈电相位差180°同相位0°和波束与差波束分别对应两个极化共模差分馈电同相位0°相位差180°差波束与和波束分别对应两个极化核心原理对于一条线阵当两端馈入等幅反相信号差分时阵列中心形成电场波腹辐射叠加产生指向法线方向的笔形和波束。当馈入等幅同相信号共模时阵列中心形成电场零点辐射相消产生在法线方向有零深的差波束形似“马鞍”。本设计将这一原理扩展到了二维平面通过控制两组正交子阵列的馈电方式独立控制两个极化方向的和/差波束。实操心得馈电网络的相位平衡是关键在实际搭建测试系统时要特别注意连接端口的电缆长度必须严格等长相位匹配否则微小的相位误差会严重恶化差波束的零深和对称性。我们当时使用了经过校准的相位稳定电缆并在矢量网络分析仪上对每条路径的相位进行了精细补偿。对于差分馈电所需的180°移相使用商用宽带90°混合耦合器如Krytar 4060265是最稳定可靠的选择其隔离端口接50欧姆负载可以吸收不平衡信号进一步提升系统隔离度。3. 天线性能实测与深度分析设计完成后我们加工了实物原型采用介电常数2.2、厚度0.51 mm的Taconic TLY-5板材并进行了全面的测试。实测结果与仿真预测吻合良好验证了设计的有效性。3.1 端口匹配与隔离度高隔离度的实现图6展示了端口AP1-AP4的实测反射系数S11。在24.2-25.2 GHz范围内所有端口的回波损耗均优于-10 dB证明了良好的阻抗匹配。值得注意的是由于毫米波频段加工精度的限制端口AP4的匹配稍差这在实际工程中是常见现象通常可以通过微调或使用导电胶进行补偿。高隔离度是本案设计的最大亮点之一。图7展示了端口间的耦合传输系数S21。测试发现同一子阵列内端口间的耦合如AP1到AP4约为-18 dB这对于相控阵端口来说是正常水平。最关键的是水平极化子阵列端口与垂直极化子阵列端口之间的耦合达到了惊人的-48 dB以下。这意味着从一个极化通道泄漏到另一个正交极化通道的信号功率不足万分之三。如此高的隔离度主要得益于三个因素结构正交性水平与垂直SIW分支在物理上是正交排布的其辐射场的极化方向天然正交。共模/差分馈电的抵消效应如图14所示当采用双差分馈电时任何从水平分支耦合到垂直分支的共模信号会在垂直分支的差分接收端被抵消掉。馈电电路的隔离外部使用的混合耦合器本身提供了额外的端口隔离。图14(d)-(f)的系统级隔离度测试结果更令人印象深刻。在三种馈电配置下两个系统端口对应两个极化之间的隔离度在整个工作频带内均优于55 dB在双差分馈电时甚至超过60 dB。这为ISAC系统实现同时同频全双工CCFD操作奠定了坚实的硬件基础。3.2 辐射方向图和波束与差波束辐射方向图的测试在微波暗室中使用平面近场扫描系统完成。图9-10和图12-13分别展示了和波束与差波束的仿真与实测结果。和波束在24.5 GHz实测峰值增益达到22.5 dBi图113 dB波束宽度约为6°。副瓣电平约-8 dB交叉极化电平优于-25 dB。波束指向精确形状对称。差波束差波束在法线方向产生了清晰的零深实测零深优于-20 dB。这对于单脉冲角度跟踪至关重要零深越深角跟踪灵敏度越高。差波束的交叉极化电平也优于-30 dB。注意事项测试环境与校准毫米波天线测试对环境极为敏感。确保暗室吸波材料在24-26 GHz频段性能良好并彻底消除测试架、转台和线缆的反射。在测量差波束时由于方向图在零深附近信号非常微弱需要提高接收机的动态范围并做多次平均以准确捕捉零深位置和深度。天线与探头的对准必须极其精确微小的偏差会导致方向图不对称。3.3 波束扫描能力巴特勒矩阵的应用为了验证天线的波束扫描能力我们设计并制作了一个SIW巴特勒矩阵作为波束形成网络图15。巴特勒矩阵是一种无源波束形成器其N个输入端口分别对应N个固定的波束指向。我们将巴特勒矩阵的四个输出端口通过混合耦合器网络连接到天线的16个端口上。通过选择巴特勒矩阵的不同输入端口可以在天线口径上产生一组固定的、等间隔的线性相位梯度从而实现波束的离散扫描。实测结果图17-18表明该天线阵列在y-z平面对应水平极化扫描和x-z平面对应垂直极化扫描上均能实现高达±60°的波束扫描。扫描过程中波束形状保持良好增益下降在可接受范围内交叉极化抑制性能依然出色。表V理论计算与仿真波束指向角对比激活端口施加的连续相位差理论指向角仿真指向角AP1 至 AP825°7.3°6.7°AP1 至 AP845°13.9°13°AP1 至 AP864°20°19°............AP1 至 AP8145°51°61.5°从表中可以看出在小角度扫描时基于理想阵列理论的计算与仿真包含互耦结果非常接近。在大角度扫描如50°时偏差增大这主要是由阵列的互耦效应以及边缘效应引起的在实际设计中需要通过全波仿真进行校准。4. 在ISAC系统中的验证案例理论性能和指标再好最终还是要落到实际应用中。为了展示该天线在ISAC系统中的实用性我们构建了一个概念验证演示系统图19。系统架构感知功能水平极化采用调频连续波FMCW雷达模式。发射一个中心频率24.5 GHz、带宽800 MHz的线性调频信号通过水平极化通道发射并接收目标回波用于测距。通信功能垂直极化采用正交频分复用OFDM通信模式。将ASCII文本数据映射为QPSK符号通过1024个子载波在800 MHz带宽内发射通过垂直极化通道传输。工作流程信道探测首先在真实的实验室多径环境中非暗室使用天线和标准喇叭天线通过矢量网络分析仪测量了24-25.2 GHz频段的无线信道频率响应图20。该信道呈现明显的频率选择性衰落。通信链路OFDM发射机生成信号经过测量的真实信道后由接收机接收。接收机利用插入的导频子载波进行信道估计和均衡成功恢复了QPSK星座图图21并无误码地解码了原始信息。这证明了在存在多径衰落的真实环境下该天线能支持可靠的宽带通信。雷达感知FMCW雷达信号经过“发射-目标反射-接收”的双程信道后与发射信号进行混频去斜处理得到差拍频率。对该信号做FFT即可在频谱上得到一个峰值其频率对应目标距离。如图24所示对于设置在1米处的目标系统准确估计出了0.97米的距离与真实值高度吻合。案例价值这个简单的案例清晰地展示了该双极化天线如何同时、独立地支持两种功能。高隔离度确保了雷达发射的大功率信号不会阻塞敏感的通信接收机双极化提供了天然的空间/极化隔离宽带宽既为通信提供了高数据速率也为雷达提供了高距离分辨率。整个系统在单一硬件平台上共享同一频段实现了真正的“一体化”。5. 设计总结、对比与未来展望我们将本文提出的天线与近期其他高性能双极化天线进行了对比见表I。综合来看本设计在几个关键指标上达到了优秀的平衡集成度与功能它是目前报道中极少数的平面、单层结构同时支持双极化、高隔离度、和差波束、电扫描的天线。对比文献[42]的机械扫描透镜天线和[44]的固定波束漏波天线本设计在集成度和灵活性上优势明显。性能指标5%的阻抗带宽、55 dB的隔离度、22.5 dBi的增益、-25 dB的交叉极化电平这些指标在毫米波频段均属上乘。扩展性基于SIW的设计易于通过调整介质基板参数如介电常数、厚度来缩放工作频率。增加每个子阵列的单元数量可以进一步提升增益和扫描范围但需要重新优化稀疏布局以维持高隔离度。未来可能的改进方向带宽拓展当前5%的相对带宽对于某些宽带ISAC应用可能仍显不足。可以考虑采用多层耦合缝隙、或使用介电常数更低的厚基板来拓展带宽。扫描范围提升±60°的扫描范围已很不错但更广的扫描角有助于扩大覆盖。这需要优化单元间距和互耦或尝试更复杂的稀疏布局算法。集成化馈电网络目前演示中使用的是外部分立的耦合器和巴特勒矩阵。下一步工作是将这些馈电网络与辐射阵列共同设计并集成在同一块PCB上实现一个真正紧凑的一体化模块。有源集成将射频前端芯片如移相、放大器与天线阵列进行封装集成构建有源相控阵系统实现更灵活、更快速的数字波束赋形。从我个人的工程实践角度看这种基于稀疏化和SIW的共口径双极化设计思路非常巧妙它为解决ISAC前端硬件的小型化与多功能矛盾提供了一个切实可行的方案。在实际调试中毫米波频段的加工公差和装配精度是最大的挑战任何微小的对不准都会显著影响隔离度和波束性能。因此从仿真到制版必须充分考虑工艺能力并在版图中预留必要的调谐结构如可调短路销钉。这个设计不仅适用于学术研究其清晰的架构和优秀的性能也具备了向车载雷达、基站回传、高端无人机通信等商业应用转化的潜力。