微带平面天线在雷达中的应用（下）

上一篇中我们简单介绍了微带平面天线的一些基本概念 -- ‍微带平面天线在雷达中的应用（上）‍，接下来我们将针对天线设计的技巧及注意事项做介绍。

雷达天线设计思路

单个天线的设计完毕后，在融入雷达系统时，面对的首个问题就是——雷达是自发自收系统，且收发同频，无法像无线通信中分配不同频段来隔离上下行通道。这就给雷达带来了更严苛的抗收发干扰挑战。

按天线与雷达发射、接收通道的连接方式，可以把雷达天线方案分为：

发射通道与接收通道分别与独立的天线连接；

发射通道与接收通道通过正交极化与同一天线连接；

发射通道与接收通道通过功分器合路与同一天线连接。

1

收发天线分离

首先看第一种，由于收发天线分离，彼此可独立调试，更加灵活；采用这种方案，首先要考虑尺寸能否接受，其次是如何降低发射端电磁波对接收端的干扰。

降低收发干扰，最直接的方式是拉开收发天线间距；但在集成化设计中往往难以实现；除此之外，就需要在从发射端到接收端的路径上，让干扰信号衰减、转换为其它形态、抵消。

相对简单有效的方法之一，是调整天线方向，让收发天线的辐射边不彼此相对；这样发射天线沿 PCB 传播的干扰信号需经过复数次衍射到达接收天线，衰减明显提升。图6展示了该方法的效果；

 

图6

另外一种方法是引用一些呈容感性的电磁带隙（EBG）结构，可以引起干扰信号在传播路径上的振荡，从而被消耗，如图7（a）；左侧发射天线表面电流强度较高，而经过中间排列的若干EBD结构后，在右侧接收天线处，表面电流强度已明显降低（电流强度由强至弱，按暖色至冷色对应）。其中 EBG 结构的电容、电感大小应和干扰信号频率对应，满足

图7（a）

在参考地上增加开槽，延长干扰信号的传播路径，从而增加衰减，如图7（b）为 PCB 上电场分布图，左侧发射天线电场强度较高，而经过两个镜像的C形开槽后，在右侧接收天线处电场强度已明显降低（场强强度由强至弱，按暖色至冷色对应）。

图7（b）

图7（c）

而图7（c）为应用了如上方案的我司参考设计板型。

以上具体的设计信息，可查阅我司相关天线发明专利 CN113612027A 。

除上述方法外，还可以引入 RLC 振荡电路，可以使得接收、发射天线间的耦合电磁波能量被振荡器吸收，从而降低发射、接收天线两者间的耦合效应，减小干扰，原理示意如图8（a）、图8（b）；而图8（c）为 PCB 上电场分布，效果与图7同理。

图8（a）

图8（b）

图8 (c)

图8 (d)

图8（d）为应用了如上方案的我司参考设计板型。

以上具体的设计信息，可查阅我司相关天线发明专利 CN115548676A 。

2

单天线收发正交

通常为了缩小尺寸，需要采用单天线设计，此时首先需要解决的依然是收发干扰问题；因为发射、接收通道共天线，这个问题会更加突出。这里介绍的方案，是将天线的一对正交馈电点分配给发射、接收通道，从而显著降低两者间干扰。

如图9所示，无论发射或接收通道激励起电磁场辐射时，对方通道均处于电场分布的场强最弱处，从而使本通道的信号难以通过 PCB 板端路径到达对方通道。

 

图9

这种设计带来的另一个特性是，发射、接收信号将呈现一对正交极化的特性，原理上正交极化信号是难以被对方接收的；但雷达应用环境中，目标反射回的电磁波会发生极化偏转；如图10（a），是应用于安检的雷达系统，同时采用了与发射通道极化平行、正交的接收通道来接收目标信号；而图10（b）展示了检测不同物体时，在两种接收通道上信号量级的不同。

目标返回的雷达信号，偏转程度随电磁波频率及目标的尺寸、材质特性、传输路径而不同。因此，交叉极化设计的雷达模组依旧能接收到目标信号，只是在评估雷达综合性能时要考虑到极化偏转的因素。

图10（a） 

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图10（b）

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如前篇所述，微带传输线具有一定的辐射能力，因此与天线同层的微带馈线会影响天线通道的正交性；解决方案之一是将带线布在天线参考地下方，通过过孔与天线连接如图11（a）；这样带线在天线背面的辐射几乎不影响天线本体的特性。另外，在天线的几何中点，即发射、接收通道均为电场最弱值的位置，可以增加接地点；这样在几乎不影响工作频率射频性能的前提下，起到滤除低频干扰的效果。

图11（a）

图11（b）

图11（b）为应用了如上方案的我司参考设计板型。

以上具体的设计信息，可查阅我司天线专利号 CN212751135U 。

如需要进一步压低收发干扰，可以采用对向差分馈电的方式；如图12（a），A端口的信号在流向B端后彼此形成抑制，从而降低AB端（收发端）之间的干扰。

图12(a)

图12（b）

图12（b）为应用了如上方案的我司参考设计板型。

以上具体的设计信息，可查阅我司天线发明专利号 CN115189131A 。

3

单天线收发合路

上述的单天线方案，基本前提是天线呈正多边形设计，天线及周围环境均正交对称；但不是所有设计背景均能满足这样的要求。而接下来介绍的方案，天线本体可灵活设计，但需要设计与之匹配的合路网络，架构如图14（a），我司参考设计如图14（b）。

图14（a）

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图14（b）

其中 P123 端口阻抗均为 Z0；原理上，发射端 P2 的信号，除去供给 P1 端天线之外，剩下分两路（过电阻，过环形带线）到达接收端 P3，而这两路路径长度差半个波长，相位相反互相抵消，从而使得收发干扰降低。

但本馈电网络也有缺点，首先是无论 P2 或 P3 与天线端 P1 收发电磁波，均存在 3dB 损耗；在雷达系统中发射、接收来回即增加了 6dB 损耗；另外，虽然 P2、P3 端口之间天然隔离，但这是在三个端口都完美匹配的前提下；如果存在失配，则由 P1 反射回合路器的信号将按 1：1 返回 P2 和 P3 ，而此信号无法被抵消，使得收发干扰提升。

结语

经过上述分享可以看出，在有成本、尺寸、工艺条件限制的要求下，雷达天线的设计很难用一种通用设计满足所有场景的需求，从方案架构到细节上每一个参数的选定，都需要充分权衡，最终设计出各项性能未必最优，但最适合产品的天线方案。

本文全篇只是做了简单的介绍，而在上述的方案背后，是实际工程中反复探究、试错、总结、优化的过程；专利技术成果之下，是在实际应用时，如何解决典型问题、发掘潜在风险的积累。在信息化时代，方案的获取和参考变得容易，但这仅加速了前期研发进度；而其背后的积累才是方案落地、产品批量化生产的保障，因而显得更为珍贵。

技术支持

以上仅介绍了和本文内容相关的我司技术方案，而其它形式的天线、乃至芯片、算法、模组同样有类似的技术方案参考资料，并配有对应的发明专利和实用新型专利。诚然，专利具有法律保护效应，而我司则会将与之对应的芯片、天线、算法及模组全套解决⽅案，无偿开放给采用隔空科技芯片方案的客户，以更好地助力产品项目的开发。同样地，我司也会提供完善的客户支持及培训服务，以保障产品项目的最终落地及生产。