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24GHz微带阵列天线设计技巧

时间:02-16 来源:世强 点击:

在大于10GHz的频段,PCB微带印刷天线相对于波导缝隙天线、透镜天线、反射面天线等其他天线具有明显优势。成熟的PCB加工工艺可以有效控制微带天线制作成本,天线板、射频板以及低频数模电路板的多层混压技术还使得整个射频系统具有很高的集成度。

厚度选择

主要综合微带天线工作带宽、馈电网络设计以及天线效率三个因素选择厚度。第一,PCB厚度影响微带天线阻抗带宽,PCB厚度越小,阵列规模越大,则天线工作带宽越小。第二,PCB厚度决定馈电网络阻抗变化段的微带线线宽,对于20mil厚度的RO4350B板材,50Ω和100Ω微带线线宽分别为1.13mm和0.27mm,而微带天线在24GHz对应谐振长度为3mm左右,馈电网络中某个微带变换段的阻抗过小或过大,都会造成微带线太宽或太窄,微带线太宽容易产生结构干涉,微带线太窄又会导致加工困难。第三,介质厚度影响微带线的导体损耗,进而影响天线效率。综合上述因素,笔者的设计经验是小型阵列选择10mil或者20mil厚度,大型阵列选择20mil厚度,射频板选择10mil厚度。

天线类型

如图1所示,微带阵列天线按馈电方式分为并馈阵列和串馈阵列。并馈阵列馈线较长,导致馈电网络引入损耗较大。对于大型阵列,天线效率往往受到限制,因此一般选择走线更为简洁的串馈阵列。串馈阵列是谐振式天线,其工作带宽比并馈阵列要小,但串馈结构要更容易实现加权激励。表1为笔者设计的不同规模的串馈微带阵列天线,它们均采用20mil厚度的RO4350B板材。从表中数据可以看出,随着阵列规模变大,阻抗带宽逐渐减小,16个阵元时带宽为1.2GHz,而324个阵元时只有0.75GHz。通常采用连续波体制的24GHz雷达调频带宽小于250MHz,因此串馈阵列的阻抗带宽能够满足绝大部分系统设计需求。

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图1:并馈阵列(左)和串馈阵列(右)

5闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閹冣挃闁硅櫕鎹囬垾鏃堝礃椤忎礁浜鹃柨婵嗙凹缁ㄥジ鏌熼惂鍝ョМ闁哄矉缍侀、姗€鎮欓幖顓燁棧闂備線娼уΛ娆戞暜閹烘缍栨繝闈涱儐閺呮煡鏌涘☉鍗炲妞ゃ儲鑹鹃埞鎴炲箠闁稿﹥顨嗛幈銊╂倻閽樺锛涘┑鐐村灍閹崇偤宕堕浣镐缓缂備礁顑呴悘婵嬫倵椤撶喍绻嗛柕鍫濈箳閸掍即鏌涢悤浣镐簽缂侇喛顕ч埥澶娢熻箛鎾剁Ш闁轰焦鍔欏畷銊╊敊鐠侯煈鏀ㄧ紓鍌氬€风粈渚€顢栭崟顖涘殑闁告挷鐒﹂~鏇㈡煙閹规劦鍤欑痪鎯у悑閹便劌顫滈崱妤€骞嬮梺绋款儐閹瑰洭骞冨⿰鍫熷殟闁靛鍎崑鎾诲锤濡や胶鍙嗛梺鍝勬处濮樸劑宕濆澶嬬厵闁告劘灏欓悞鍛婃叏婵犲嫮甯涢柟宄版嚇瀹曘劍绻濋崒娑欑暭闂傚倷娴囧畷鐢稿窗閸℃稑纾块柟鎯版缁犳煡鏌曡箛鏇烆€屾繛绗哄姂閺屽秷顧侀柛鎾寸懇椤㈡岸鏁愰崱娆戠槇濠殿喗锕╅崢鍏肩濠婂懐纾奸柣鎰靛墮椤庢粌顪冪€涙ɑ鍊愮€殿喗鐓¢、妤呭礋椤戣姤瀚奸梻浣告贡鏋繛鎾棑缁骞樼€靛摜顔曢柣鐘叉厂閸涱厼鐓傞梺杞扮閻楀﹥绌辨繝鍥ч柛娑卞枛濞呫倝姊虹粙娆惧剬闁告挻绻勯幑銏犫攽閸モ晝鐦堥梺绋挎湰缁嬫垵鈻嶉敐鍜佹富闁靛牆绻掗崚浼存煏閸喐鍊愭鐐插暞缁傛帞鈧絽鐏氶弲顒€鈹戦悙鏉戠仸閽冮亶鎮归崶鈺佷槐婵﹨娅i幏鐘诲灳閾忣偆浜堕梻浣藉吹閸o附淇婇崶顒€绠查柕蹇曞Л閺€浠嬫倵閿濆簼绨介柛濠勫仱濮婃椽妫冨ù銈嗙洴瀹曟﹢濡搁妷顔藉枠濠电姷鏁告慨鐑藉极閸涘﹥鍙忛柣鎴f閺嬩線鏌熼梻瀵割槮缁炬崘顫夐妵鍕冀椤愵澀绮堕梺缁樺笒閻忔岸濡甸崟顖氱闁瑰瓨绻嶆禒鑲╃磼閻愵剙鍔ゆい顓犲厴瀵鎮㈤悡搴n槶閻熸粌绻掗弫顔尖槈閵忥紕鍘介梺瑙勫劤椤曨厼煤閹绢喗鐓欐い鏃傜摂濞堟粓鏌℃担鐟板闁诡垱妫冮崹楣冩嚑椤掍焦娅﹀┑鐘垫暩婵參骞忛崘顔肩妞ゅ繐鍟版す鎶芥⒒娓氣偓閳ь剚绋撻埞鎺楁煕閺傝法肖闁瑰箍鍨归埞鎴犫偓锝庝簻缁愭稑顪冮妶鍡樼闁瑰啿绉瑰畷顐⑽旈崨顔规嫽婵炶揪绲介幉锛勬嫻閿熺姵鐓欓柧蹇e亝鐏忕敻鏌嶈閸撴艾顫濋妸锔芥珷婵°倓鑳堕埞宥呪攽閻樺弶鎼愮紒鐘垫嚀闇夐柨婵嗙墕閳ь兛绮欐俊鎼佸煛閸屾粌寮抽梻浣告惈閸熺娀宕戦幘缁樼厱閹艰揪绱曢敍宥囩磼鏉堚晛浠辨鐐村笒铻栧ù锝呭级鐎氫粙姊绘担鍛靛綊寮甸鍕仭闁靛ň鏅涚粈鍌溾偓鍏夊亾闁告洦鍓涢崢鐢告⒑閹勭闁稿鎳庨悾宄扮暆閳ь剟鍩€椤掑喚娼愭繛鍙夌矒瀵偆鎷犲顔兼婵炲濮撮鎰板极閸ヮ剚鐓熼柟閭﹀弾閸熷繘鏌涢悙鍨毈婵﹦绮幏鍛存嚍閵壯佲偓濠囨⒑闂堚晝绉剁紒鐘虫崌閻涱喛绠涘☉娆愭闂佽法鍣﹂幏锟�...

表1:串馈阵列规模与阻抗带宽

天线和射频芯片的互连

目前国内外芯片厂商都有量产的24GHz射频芯片推出市场,在零中频雷达架构中,射频芯片的引脚直接与微带收发天线端口相连。当使用天线板(高频板)+若干层FR4+射频板(高频板)的混压板形式时,天线和射频芯片的互连通过金属化过孔实现。在24GHz频段,长度大于1mm的金属化过孔引入的不连续性将非常明显,解决办法是在金属化过孔四周加若干个对称的金属化接地过孔构成类同轴传输结构(如图2所示)。当天线和射频芯片位于PCB板同一面时,射频芯片和收发天线则直接通过微带线或者共面波导相连,这种设计能最大化地减小传输线插损。

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图2:混压板上天线与射频芯片的互连

低副瓣设计

方向图的副瓣电平是阵列天线的重要设计指标,低副瓣设计可以减小雷达主波束外的环境干扰,其作用相当于做了一次空域滤波,对提高雷达信噪比十分有效。均匀分布阵列天线的副瓣电平大于-13dB,为了获得更低的副瓣,通过馈电网络使馈入各阵元的功率为某种低副瓣加权分布。常用等相不等幅的低副瓣加权分布方式有Chebyshev分布和Taylor分布。根据副瓣电平和阵元数,容易综合出理想的加权分布,剩余工作就是反复优化馈电网络使馈入各阵元的功率接近理想分布。

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