射頻技術(shù)之微帶陣列天線設(shè)計要點

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(yōu)勢。成熟的PCB加工工藝可以有效控制微帶天線制作成本，天線板、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

主要綜合微帶天線工作帶寬、饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以及天線效率三個因素選擇厚度。第一，PCB厚度影響微帶天線阻抗帶寬，PCB厚度越小，陣列規(guī)模越大，則天線工作帶寬越小。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(yīng)諧振長度為3mm左右，饋電網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生結(jié)構(gòu)干涉，微帶線太窄又會導致加工困難。第三，介質(zhì)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(shè)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。

天線類型

如圖1所示，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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)要更容易實現(xiàn)加權(quán)激勵。表1為筆者設(shè)計的不同規(guī)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(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個陣元時帶寬為1.2GHz，而324個陣元時只有0.75GHz。通常采用連續(xù)波體制的24GHz雷達調(diào)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(tǒng)設(shè)計需求。

圖1：并饋陣列(左)和串饋陣列(右)

表1：串饋陣列規(guī)模與阻抗帶寬

天線和射頻芯片的互連

目前國內(nèi)外芯片廠商都有量產(chǎn)的24GHz射頻芯片推出市場，在零中頻雷達架構(gòu)中，射頻芯片的引腳直接與微帶收發(fā)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(xiàn)。在24GHz頻段，長度大于1mm的金屬化過孔引入的不連續(xù)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(gòu)成類同軸傳輸結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。當天線和射頻芯片位于PCB板同一面時，射頻芯片和收發(fā)天線則直接通過微帶線或者共面波導相連，這種設(shè)計能最大化地減小傳輸線插損。

圖2：混壓板上天線與射頻芯片的互連

低副瓣設(shè)計

方向圖的副瓣電平是陣列天線的重要設(shè)計指標，低副瓣設(shè)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。均勻分布陣列天線的副瓣電平大于-13dB，為了獲得更低的副瓣，通過饋電網(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，剩余工作就是反復優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)使饋入各陣元的功率接近理想分布。