射頻微帶陣列天線(xiàn)設計要點(diǎn)

射頻微帶陣列天線(xiàn)設計要點(diǎn)

在大于10GHz的頻段，PCB微帶印刷天線(xiàn)相對于波導縫隙天線(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。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、射頻板以及低頻數模電路板的多層混壓技術(shù)還使得整個(gè)射頻系統具有很高的集成度。


厚度選擇

主要綜合微帶天線(xiàn)工作帶寬、饋電網(wǎng)絡(luò )設計以及天線(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對應諧振長(cháng)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)生結構干涉，微帶線(xiàn)太窄又會(huì )導致加工困難。第三，介質(zhì)厚度影響微帶線(xiàn)的導體損耗，進(jìn)而影響天線(xiàn)效率。綜合上述因素，筆者的設計經(jīng)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(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(cháng)，導致饋電網(wǎng)絡(luò )引入損耗較大。對于大型陣列，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，但串饋結構要更容易實(shí)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(xiàn)，它們均采用20mil厚度的RO4350B板材。從表中數據可以看出，隨著(zhù)陣列規模變大，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(mǎn)足絕大部分系統設計需求。



表1：串饋陣列規模與阻抗帶寬

天線(xiàn)和射頻芯片的互連

目前國內外芯片廠(chǎng)商都有量產(chǎn)的24GHz射頻芯片推出市場(chǎng)，在零中頻雷達架構中，射頻芯片的引腳直接與微帶收發(fā)天線(xiàn)端口相連。當使用天線(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。在24GHz頻段，長(cháng)度大于1mm的金屬化過(guò)孔引入的不連續性將非常明顯，解決辦法是在金屬化過(guò)孔四周加若干個(gè)對稱(chēng)的金屬化接地過(guò)孔構成類(lèi)同軸傳輸結構。當天線(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)或者共面波導相連，這種設計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

低副瓣設計

方向圖的副瓣電平是陣列天線(xiàn)的重要設計指標，低副瓣設計可以減小雷達主波束外的環(huán)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(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(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò )使饋入各陣元的功率接近理想分布。