射频技术之微带阵列天线设计要点

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优势。成熟的PCB加工工艺可以有效控制微带天线制作成本，天线板、射频板以及低频数模电路板的多层混压技术还使得整个射频系统具有很高的集成度。

 

厚度选择

 

主要综合微带天线工作带宽、馈电网络设计以及天线效率三个因素选择厚度。第一，PCB厚度影响微带天线阻抗带宽，PCB厚度越小，阵列规模越大，则天线工作带宽越小。第二，PCB厚度决定馈电网络阻抗变化段的微带线线宽，对于20mil厚度的RO4350B板材，50Ω和100Ω微带线线宽分别为1.13mm和0.27mm，而微带天线在24GHz对应谐振长度为3mm左右，馈电网络中某个微带变换段的阻抗过小或过大，都会造成微带线太宽或太窄，微带线太宽容易产生结构干涉，微带线太窄又会导致加工困难。第三，介质厚度影响微带线的导体损耗，进而影响天线效率。综合上述因素，笔者的设计经验是小型阵列选择10mil或者20mil厚度，大型阵列选择20mil厚度，射频板选择10mil厚度。

 

天线类型

 

如图1所示，微带阵列天线按馈电方式分为并馈阵列和串馈阵列。并馈阵列馈线较长，导致馈电网络引入损耗较大。对于大型阵列，天线效率往往受到限制，因此一般选择走线更为简洁的串馈阵列。串馈阵列是谐振式天线，其工作带宽比并馈阵列要小，但串馈结构要更容易实现加权激励。表1为笔者设计的不同规模的串馈微带阵列天线，它们均采用20mil厚度的RO4350B板材。从表中数据可以看出，随着阵列规模变大，阻抗带宽逐渐减小，16个阵元时带宽为1.2GHz，而324个阵元时只有0.75GHz。通常采用连续波体制的24GHz雷达调频带宽小于250MHz，因此串馈阵列的阻抗带宽能够满足绝大部分系统设计需求。

图1：并馈阵列(左)和串馈阵列(右)

表1：串馈阵列规模与阻抗带宽

 

天线和射频芯片的互连

 

目前国内外芯片厂商都有量产的24GHz射频芯片推出市场，在零中频雷达架构中，射频芯片的引脚直接与微带收发天线端口相连。当使用天线板（高频板）+若干层FR4+射频板（高频板）的混压板形式时，天线和射频芯片的互连通过金属化过孔实现。在24GHz频段，长度大于1mm的金属化过孔引入的不连续性将非常明显，解决办法是在金属化过孔四周加若干个对称的金属化接地过孔构成类同轴传输结构（如图2所示）。当天线和射频芯片位于PCB板同一面时，射频芯片和收发天线则直接通过微带线或者共面波导相连，这种设计能最大化地减小传输线插损。

图2：混压板上天线与射频芯片的互连

 

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，低副瓣设计可以减小雷达主波束外的环境干扰，其作用相当于做了一次空域滤波，对提高雷达信噪比十分有效。均匀分布阵列天线的副瓣电平大于-13dB，为了获得更低的副瓣，通过馈电网络使馈入各阵元的功率为某种低副瓣加权分布。常用等相不等幅的低副瓣加权分布方式有Chebyshev分布和Taylor分布。根据副瓣电平和阵元数，容易综合出理想的加权分布，剩余工作就是反复优化馈电网络使馈入各阵元的功率接近理想分布。