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                            PCB射頻微帶陣列天線設計要點

                            發布日期:2023-06-16 14:10:02  |  關注:687

                              在大于10GHz的頻段,PCB微帶印刷天線相對于波導縫隙天線、透鏡天線、反射面天線等其他天線具有明顯優勢。成熟的PCB高頻線路板加工工藝可以有效控制微帶天線制作成本,天線板、微波板、射頻板以及低頻數模電路板的多層混壓技術還使得整個射頻系統具有很高的集成度。

                              厚度選擇

                              主要綜合微帶天線工作帶寬、饋電網絡設計以及天線效率三個因素選擇厚度。

                              第一、PCB高頻線路板厚度影響微帶天線阻抗帶寬,PCB厚度越小,陣列規模越大,則天線工作帶寬越小。

                              第二、PCB高頻線路板厚度決定饋電網絡阻抗變化段的微帶線線寬,對于20mil厚度的RO4350B板材,50Ω和100Ω微帶線線寬分別為1.13mm和0.27mm,而微帶天線在24GHz對應諧振長度為3mm左右,饋電網絡中某個微帶變換段的阻抗過小或過大,都會造成微帶線太寬或太窄,微帶線太寬容易產生結構干涉,微帶線太窄又會導致加工困難。

                              第三、介質厚度影響微帶線的導體損耗,進而影響天線效率。綜合上述因素,筆者的設計經驗是小型陣列選擇10mil或者20mil厚度,大型陣列選擇20mil厚度,射頻板選擇10mil厚度。

                              天線類型

                              微帶陣列天線按饋電方式分為并饋陣列和串饋陣列。并饋陣列饋線較長,導致饋電網絡引入損耗較大。對于大型陣列,天線效率往往受到限制,因此一般選擇走線更為簡潔的串饋陣列。串饋陣列是諧振式天線,其工作帶寬比并饋陣列要小,但串饋結構要更容易實現加權激勵。表1為筆者設計的不同規模的串饋微帶陣列天線,它們均采用20mil厚度的RO4350B板材。從表中數據可以看出,隨著陣列規模變大,阻抗帶寬逐漸減小,16個陣元時帶寬為1.2GHz,而324個陣元時只有0.75GHz。通常采用連續波體制的24GHz雷達調頻帶寬小于250MHz,因此串饋陣列的阻抗帶寬能夠滿足絕大部分系統設計需求。

                            表1:串饋陣列規模與阻抗帶寬.jpg

                            表1:串饋陣列規模與阻抗帶寬

                              天線和射頻芯片的互連

                              目前國內外芯片廠商都有量產的24GHz射頻芯片推出市場,在零中頻雷達架構中,射頻芯片的引腳直接與微帶收發天線端口相連。當使用天線板(高頻板)+若干層FR4+射頻板(高頻板)的混壓板形式時,天線和射頻芯片的互連通過金屬化過孔實現。在24GHz頻段,長度大于1mm的金屬化過孔引入的不連續性將非常明顯,解決辦法是在金屬化過孔四周加若干個對稱的金屬化接地過孔構成類同軸傳輸結構。當天線和射頻芯片位于PCB高頻線路板同一面時,射頻芯片和收發天線則直接通過微帶線或者共面波導相連,這種設計能最大化地減小傳輸線插損。

                            圖2:PCB高頻混壓板上天線與射頻芯片的互連.jpg

                            圖2:PCB高頻混壓板上天線與射頻芯片的互連

                              低副瓣設計

                              方向圖的副瓣電平是微帶陣列天線的重要設計指標,低副瓣設計可以減小雷達主波束外的環境干擾,其作用相當于做了一次空域濾波,對提高雷達信噪比十分有效。均勻分布陣列天線的副瓣電平大于-13dB,為了獲得更低的副瓣,通過饋電網絡使饋入各陣元的功率為某種低副瓣加權分布。常用等相不等幅的低副瓣加權分布方式有Chebyshev分布和Taylor分布。根據副瓣電平和陣元數,容易綜合出理想的加權分布,剩余工作就是反復優化饋電網絡使饋入各陣元的功率接近理想分布。


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