射頻微帶陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
射頻微帶陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
在大于10GHz的頻段,PCB微帶印刷天線(xiàn)相對(duì)于波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)、透鏡天線(xiàn)、反射面天線(xiàn)等其他天線(xiàn)具有明顯優(yōu)勢(shì)。成熟的PCB加工工藝可以有效控制微帶天線(xiàn)制作成本,天線(xiàn)板、射頻板以及低頻數(shù)模電路板的多層混壓技術(shù)還使得整個(gè)射頻系統(tǒng)具有很高的集成度。
厚度選擇
主要綜合微帶天線(xiàn)工作帶寬、饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及天線(xiàn)效率三個(gè)因素選擇厚度。第一,PCB厚度影響微帶天線(xiàn)阻抗帶寬,PCB厚度越小,陣列規(guī)模越大,則天線(xiàn)工作帶寬越小。第二,PCB厚度決定饋電網(wǎng)絡(luò)阻抗變化段的微帶線(xiàn)線(xiàn)寬,對(duì)于20mil厚度的RO4350B板材,50Ω和100Ω微帶線(xiàn)線(xiàn)寬分別為1.13mm和0.27mm,而微帶天線(xiàn)在24GHz對(duì)應(yīng)諧振長(zhǎng)度為3mm左右,饋電網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)微帶變換段的阻抗過(guò)小或過(guò)大,都會(huì)造成微帶線(xiàn)太寬或太窄,微帶線(xiàn)太寬容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)干涉,微帶線(xiàn)太窄又會(huì)導(dǎo)致加工困難。第三,介質(zhì)厚度影響微帶線(xiàn)的導(dǎo)體損耗,進(jìn)而影響天線(xiàn)效率。綜合上述因素,筆者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是小型陣列選擇10mil或者20mil厚度,大型陣列選擇20mil厚度,射頻板選擇10mil厚度。
天線(xiàn)類(lèi)型
微帶陣列天線(xiàn)按饋電方式分為并饋陣列和串饋陣列。并饋陣列饋線(xiàn)較長(zhǎng),導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)引入損耗較大。對(duì)于大型陣列,天線(xiàn)效率往往受到限制,因此一般選擇走線(xiàn)更為簡(jiǎn)潔的串饋陣列。串饋陣列是諧振式天線(xiàn),其工作帶寬比并饋陣列要小,但串饋結(jié)構(gòu)要更容易實(shí)現(xiàn)加權(quán)激勵(lì)。表1為筆者設(shè)計(jì)的不同規(guī)模的串饋微帶陣列天線(xiàn),它們均采用20mil厚度的RO4350B板材。從表中數(shù)據(jù)可以看出,隨著陣列規(guī)模變大,阻抗帶寬逐漸減小,16個(gè)陣元時(shí)帶寬為1.2GHz,而324個(gè)陣元時(shí)只有0.75GHz。通常采用連續(xù)波體制的24GHz雷達(dá)調(diào)頻帶寬小于250MHz,因此串饋陣列的阻抗帶寬能夠滿(mǎn)足絕大部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。
表1:串饋陣列規(guī)模與阻抗帶寬
天線(xiàn)和射頻芯片的互連
目前國(guó)內(nèi)外芯片廠商都有量產(chǎn)的24GHz射頻芯片推出市場(chǎng),在零中頻雷達(dá)架構(gòu)中,射頻芯片的引腳直接與微帶收發(fā)天線(xiàn)端口相連。當(dāng)使用天線(xiàn)板(高頻板)+若干層FR4+射頻板(高頻板)的混壓板形式時(shí),天線(xiàn)和射頻芯片的互連通過(guò)金屬化過(guò)孔實(shí)現(xiàn)。在24GHz頻段,長(zhǎng)度大于1mm的金屬化過(guò)孔引入的不連續(xù)性將非常明顯,解決辦法是在金屬化過(guò)孔四周加若干個(gè)對(duì)稱(chēng)的金屬化接地過(guò)孔構(gòu)成類(lèi)同軸傳輸結(jié)構(gòu)。當(dāng)天線(xiàn)和射頻芯片位于PCB板同一面時(shí),射頻芯片和收發(fā)天線(xiàn)則直接通過(guò)微帶線(xiàn)或者共面波導(dǎo)相連,這種設(shè)計(jì)能最大化地減小傳輸線(xiàn)插損。
圖2:混壓板上天線(xiàn)與射頻芯片的互連
低副瓣設(shè)計(jì)
方向圖的副瓣電平是陣列天線(xiàn)的重要設(shè)計(jì)指標(biāo),低副瓣設(shè)計(jì)可以減小雷達(dá)主波束外的環(huán)境干擾,其作用相當(dāng)于做了一次空域?yàn)V波,對(duì)提高雷達(dá)信噪比十分有效。均勻分布陣列天線(xiàn)的副瓣電平大于-13dB,為了獲得更低的副瓣,通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)使饋入各陣元的功率為某種低副瓣加權(quán)分布。常用等相不等幅的低副瓣加權(quán)分布方式有Chebyshev分布和Taylor分布。根據(jù)副瓣電平和陣元數(shù),容易綜合出理想的加權(quán)分布,剩余工作就是反復(fù)優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)使饋入各陣元的功率接近理想分布。
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