串联馈电阵列天线在物联网汽车雷达中实现高辐射性能

更智能的车载雷达，守护更安全的街道

现代汽车正迅速变成行驶的计算平台，配备大量传感器以帮助车辆感知路况并规避危险。在这些传感器中，雷达尤为重要，因为它即便在雨、雾或黑暗中也能可靠地测量距离和速度。本文介绍了一种为24吉赫频段设计的新型紧凑雷达天线，针对始终连接物联网(IoT)的汽车进行了优化。通过将巧妙的硬件设计与人工智能驱动的优化相结合，研究者在极小的空间内实现了更锐利、更强的雷达波束——这对实现更安全、更智能的车辆具有很大吸引力。

为什么汽车需要更好的“眼睛”

当今的驾驶辅助系统——例如自适应巡航、盲点警示和泊车辅助——都依赖雷达来监控车辆周围的情况。这些雷达必须能够探测数十米外的目标，在近距离区分车辆与行人，同时又要能悄然集成在保险杠和车身面板中。24吉赫频段之所以流行，是因为它在各种天气条件下性能可靠，且适合城市交通中的短中程探测。然而，为该频段设计天线存在挑战：工程师必须在小巧、低成本且可像印刷电路板一样批量生产的结构中，兼顾高增益（强而集中的信号）、宽有效带宽和低能量损耗。

小尺寸内的紧凑天线设计

作者提出了两种紧密相关的天线设计，使用印刻在微波电路板上的平面圆形金属贴片来满足这些需求。一种设计为两排五个贴片（2 × 5），另一种为四排五个贴片（4 × 5）。自定义的“功率分配器”将输入雷达信号等分，然后通过沿贴片旁边而非直接进入贴片的细金属线馈送每个贴片。这种近旁耦合避免了脆弱的垂直连接并提升了带宽，同时精心选择的贴片间距有助于各自信号叠加成一个强而窄的波束。结果是一种设计形成扇形波束以实现宽覆盖，而另一种则形成更像铅笔状的波束以实现更远距离、高分辨率的探测。

用人工智能微调硬件

团队没有通过反复试验来调整尺寸，而是依赖一种名为 PSADEA 的人工智能辅助优化方法。该算法测试关键设计参数的不同组合——例如馈线与贴片之间的间隙、贴片尺寸和线长——使用由完整电磁仿真支撑的快速数学“代理”模型。PSADEA 寻找能同时实现低信号反射、高增益和合适窄波束的形状。与遗传算法或基于粒子的搜索等传统算法相比，PSADEA 在更少的昂贵仿真次数下找到更优的设计，节省了大量计算时间，同时仍能探索多种可能性。

测试场上的实测性能

两种阵列的原型均采用低损耗 Rogers 基材制造，并在模拟自由空间的无回声室中进行了测量。在许多汽车雷达使用的23–25吉赫频段内，这两种天线都表现出很低的信号反射，意味着大部分功率被转换为辐射而非返回电子设备。较小的2 × 5阵列达到约16分贝的增益，而4 × 5阵列约为19.5分贝，模拟辐射效率均超过95%。它们的波束与仿真高度一致：2 × 5设计在一个平面上形成宽扇形，适合覆盖侧面或后方的大范围区域，而4 × 5设计在两个方向上形成更紧的波束，更适合远距离前向探测。与其他已发表的天线相比，这些阵列实现了异常高的“孔径效率”，意味着它们能从每平方厘米硬件中挤出更多有用的波束强度。

对未来互联车辆的意义

对非专业读者而言，核心信息是作者展示了如何使用与大规模电子产品制造兼容的工具和材料，在小而平的外形中构建非常高效且高度聚焦的雷达天线。通过让基于AI的优化器引导详细几何形状，他们得到的设计在性能上优于许多现有方案，同时控制了成本和尺寸。这类固定波束天线特别适合常见的驾驶辅助任务，如盲点检测、后方交叉交通警报、泊车辅助和中程前向探测。随着汽车更深度地接入物联网网络——与其他车辆和基础设施共享雷达数据——这样紧凑且高性能的天线将成为实现更安全、更智能交通系统的关键构件。

引用: Zakeri, H., Parvaneh, M., Moradi, G. et al. Array antenna with series-fed configuration providing high radiation performances for automotive radar in IoT applications. Sci Rep 16, 11116 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40981-x

关键词: 汽车雷达, 天线阵列, 24 GHz, 物联网, AI 优化