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PCB資訊

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24GHz微帶陣列天線設計技巧與注意事項
2022-08-05
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在大於10GHz的頻段,PCB微帶印刷天線相對於波導縫隙天線、透鏡天線、反射面天線等其他天線具有明顯的優勢。成熟的PCB加工工藝可以有效控制微帶天線的生產成本。微帶天線電路板、微波射頻板和低頻數模電路板的多層混合技術也使得整個射頻系統高度集成。 ROGERS生產的微波射頻板RO4350B具有優越的高頻性能和低廉的生產成本,在商用射頻系統中得到了廣泛的應用和驗證。筆者使用羅傑斯電路板RogersRO4350B成功設計了一系列24GHz微帶陣列天線,均已應用於公司上市產品,故對其應用進行一些設計技巧的總結。
厚度選擇
厚度主要根據微帶天線工作頻寬、饋電網路設計和天線效率三個因素來選擇。
1PCB厚度影響微帶天線的阻抗頻寬。 PCB厚度越小,陣列尺寸越大,微帶天線的工作頻寬越小。
2、介質的厚度影響微帶線的導體損耗,進而影響微波射頻天線的效率。基於以上因素,筆者的設計經驗是,小陣列選擇10mil20mil厚度,大陣列選擇20mil厚度,微波射頻板選擇10mil厚度。
3PCB的厚度決定了微帶線在饋電網路阻抗變化段的線寬。對於RO4350B板,厚度為20密耳,50Ω100Ω微帶線的線寬分別為1.13mm0.27mm,對應的微帶天線在24GHz的諧振長度約為3mm。如果饋電網路中微帶轉換段的阻抗過小或過大,都會造成微帶天線 線太寬或太窄,微帶天線的線太寬,容易造成結構干擾。如果微帶天線的線路太窄,會造成加工困難。
天線類型
微帶陣列天線按饋電方式分為並聯饋電陣列和串聯饋電陣列。並聯饋電陣列饋線更長,導致饋線網路中的損耗更大。對於大規模陣列,天線效率往往是有限的,因此一般選擇佈線更簡單的串聯饋電陣列。串聯饋電陣列是諧振天線,其工作頻寬比並聯饋電陣列小,但串聯饋電結構更容易實現加權激勵。作者設計的不同尺度的串聯饋電微帶陣列天線。它們都使用 20mil 厚的 RO4350B。隨著陣列尺寸變大,阻抗頻寬逐漸減小。頻寬為1.2GHz16個陣元時頻寬為1.2GHz,而324個陣元時頻寬僅為0.75GHz。通常使用連續波系統的24GHz雷達頻率調製頻寬小於250MHz,因此串聯饋電陣列的阻抗頻寬可以滿足大部分系統設計要求。
天線與射頻晶片的互連
目前,國內外晶片廠商已經在市場上量產了24GHz射頻晶片。在零中頻雷達架構中,射頻晶片的引腳直接連接到微帶收發器天線埠。採用天線電路板(高頻板)+多層FR4+微波射頻板(高頻板)時,天線與射頻晶片之間通過金屬化過孔實現互連。在24GHz頻段,長度大於1mm的金屬化過孔引入的不連續性會非常明顯。解決方法是在金屬化過孔周圍增加幾個對稱的金屬化接地過孔,形成類似同軸的傳輸結構。當天線和射頻晶片位於PCB電路板的同一側時,射頻晶片和收發天線通過微帶線或共面波導直接連接。這種設計可以最大限度地減少傳輸線的插入損耗。

低副瓣設計
方向圖的副瓣電平是陣列天線的重要設計指標。低副瓣設計可以減少雷達主波束外的環境干擾。它的功能相當於一個空間過濾,對提高雷達信噪比非常有效。 均勻分佈陣列天線的副瓣電平大於-13dB 為了獲得較低的副瓣,饋入每個陣元的功率通過饋電網路形成一定的低副瓣加權分佈。 常用的等相位不等幅低副瓣加權分佈方法包括Chebyshev布和Taylor分佈。 根據旁瓣電平和陣元數,很容易合成出理想的加權分佈。 剩下的工作就是反復優化饋電網路,使饋入每個陣元的功率接近理想分佈。