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微波高频

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24GHz微带阵列天线设计技巧与注意事项
2021-09-10
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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的优势。成熟的PCB加工工艺可以有效控制微带天线的生产成本。微带天线电路板、微波射频板和低频数模电路板的多层混合技术也使得整个射频系统高度集成。 ROGERS生产的微波射频板RO4350B具有优越的高频性能和低廉的生产成本,在商用射频系统中得到了广泛的应用和验证。笔者使用罗杰斯电路板RogersRO4350B成功设计了一系列24GHz微带阵列天线,均已应用于公司上市产品,故对其应用进行一些设计技巧的总结。
厚度选择
厚度主要根据微带天线工作带宽、馈电网络设计和天线效率三个因素来选择。
1、PCB厚度影响微带天线的阻抗带宽。 PCB厚度越小,阵列尺寸越大,微带天线的工作带宽越小。
2、介质的厚度影响微带线的导体损耗,进而影响微波射频天线的效率。基于以上因素,笔者的设计经验是,小阵列选择10mil或20mil厚度,大阵列选择20mil厚度,微波射频板选择10mil厚度。
3、PCB的厚度决定了微带线在馈电网络阻抗变化段的线宽。对于RO4350B板,厚度为20密耳,50Ω和100。Ω微带线的线宽分别为1.13mm和0.27mm,对应的微带天线在24GHz的谐振长度约为3mm。如果馈电网络中微带转换段的阻抗过小或过大,都会造成微带天线 线太宽或太窄,微带天线的线太宽,容易造成结构干扰。如果微带天线的线路太窄,会造成加工困难。
天线类型
微带阵列天线按馈电方式分为并联馈电阵列和串联馈电阵列。并联馈电阵列馈线更长,导致馈线网络中的损耗更大。对于大规模阵列,天线效率往往是有限的,因此一般选择布线更简单的串联馈电阵列。串联馈电阵列是谐振天线,其工作带宽比并联馈电阵列小,但串联馈电结构更容易实现加权激励。作者设计的不同尺度的串联馈电微带阵列天线。它们都使用 20mil 厚的 RO4350B。随着阵列尺寸变大,阻抗带宽逐渐减小。带宽为1.2GHz,16个阵元时带宽为1.2GHz,而324个阵元时带宽仅为0.75GHz。通常使用连续波系统的24GHz雷达频率调制带宽小于250MHz,因此串联馈电阵列的阻抗带宽可以满足大部分系统设计要求。
天线与射频芯片的互连
目前,国内外芯片厂商已经在市场上量产了24GHz射频芯片。在零中频雷达架构中,射频芯片的引脚直接连接到微带收发器天线端口。采用天线电路板(高频板)+多层FR4+微波射频板(高频板)时,天线与射频芯片之间通过金属化过孔实现互连。在24GHz频段,长度大于1mm的金属化过孔引入的不连续性会非常明显。解决方法是在金属化过孔周围增加几个对称的金属化接地过孔,形成类似同轴的传输结构。当天线和射频芯片位于PCB电路板的同一侧时,射频芯片和收发天线通过微带线或共面波导直接连接。这种设计可以最大限度地减少传输线的插入损耗。

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。低副瓣设计可以减少雷达主波束外的环境干扰。它的功能相当于一个空间过滤,对提高雷达信噪比非常有效。 均匀分布阵列天线的副瓣电平大于-13dB。 为了获得较低的副瓣,馈入每个阵元的功率通过馈电网络形成一定的低副瓣加权分布。 常用的等相位不等幅低副瓣加权分布方法包括Chebyshev布和Taylor分布。 根据旁瓣电平和阵元数,很容易合成出理想的加权分布。 剩下的工作就是反复优化馈电网络,使馈入每个阵元的功率接近理想分布。

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