上一篇中我們簡單介紹了微帶平面天線的一些基本概念 --?微帶平面天線在雷達(dá)中的應(yīng)用（上）?，接下來我們將針對天線設(shè)計的技巧及注意事項做介紹。

雷達(dá)天線設(shè)計思路

單個天線的設(shè)計完畢后，在融入雷達(dá)系統(tǒng)時，面對的首個問題就是——雷達(dá)是自發(fā)自收系統(tǒng)，且收發(fā)同頻，無法像無線通信中分配不同頻段來隔離上下行通道。這就給雷達(dá)帶來了更嚴(yán)苛的抗收發(fā)干擾挑戰(zhàn)。

按天線與雷達(dá)發(fā)射、接收通道的連接方式，可以把雷達(dá)天線方案分為：

發(fā)射通道與接收通道分別與獨(dú)立的天線連接；

發(fā)射通道與接收通道通過正交極化與同一天線連接；

發(fā)射通道與接收通道通過功分器合路與同一天線連接。

1

收發(fā)天線分離

首先看第一種，由于收發(fā)天線分離，彼此可獨(dú)立調(diào)試，更加靈活；采用這種方案，首先要考慮尺寸能否接受，其次是如何降低發(fā)射端電磁波對接收端的干擾。

降低收發(fā)干擾，最直接的方式是拉開收發(fā)天線間距；但在集成化設(shè)計中往往難以實(shí)現(xiàn)；除此之外，就需要在從發(fā)射端到接收端的路徑上，讓干擾信號衰減、轉(zhuǎn)換為其它形態(tài)、抵消。

相對簡單有效的方法之一，是調(diào)整天線方向，讓收發(fā)天線的輻射邊不彼此相對；這樣發(fā)射天線沿 PCB 傳播的干擾信號需經(jīng)過復(fù)數(shù)次衍射到達(dá)接收天線，衰減明顯提升。圖6展示了該方法的效果；

圖6

另外一種方法是引用一些呈容感性的電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)，可以引起干擾信號在傳播路徑上的振蕩，從而被消耗，如圖7（a）；左側(cè)發(fā)射天線表面電流強(qiáng)度較高，而經(jīng)過中間排列的若干EBD結(jié)構(gòu)后，在右側(cè)接收天線處，表面電流強(qiáng)度已明顯降低（電流強(qiáng)度由強(qiáng)至弱，按暖色至冷色對應(yīng)）。其中 EBG 結(jié)構(gòu)的電容、電感大小應(yīng)和干擾信號頻率對應(yīng)，滿足

圖7（a）

在參考地上增加開槽，延長干擾信號的傳播路徑，從而增加衰減，如圖7（b）為 PCB 上電場分布圖，左側(cè)發(fā)射天線電場強(qiáng)度較高，而經(jīng)過兩個鏡像的C形開槽后，在右側(cè)接收天線處電場強(qiáng)度已明顯降低（場強(qiáng)強(qiáng)度由強(qiáng)至弱，按暖色至冷色對應(yīng)）。

圖7（b）

圖7（c）

而圖7（c）為應(yīng)用了如上方案的我司參考設(shè)計板型。

以上具體的設(shè)計信息，可查閱我司相關(guān)天線發(fā)明專利 CN113612027A 。

除上述方法外，還可以引入 RLC 振蕩電路，可以使得接收、發(fā)射天線間的耦合電磁波能量被振蕩器吸收，從而降低發(fā)射、接收天線兩者間的耦合效應(yīng)，減小干擾，原理示意如圖8（a）、圖8（b）；而圖8（c）為 PCB 上電場分布，效果與圖7同理。

圖8（a）

圖8（b）

圖8 (c)

圖8 (d)

圖8（d）為應(yīng)用了如上方案的我司參考設(shè)計板型。

以上具體的設(shè)計信息，可查閱我司相關(guān)天線發(fā)明專利CN115548676A 。

2

單天線收發(fā)正交

通常為了縮小尺寸，需要采用單天線設(shè)計，此時首先需要解決的依然是收發(fā)干擾問題；因為發(fā)射、接收通道共天線，這個問題會更加突出。這里介紹的方案，是將天線的一對正交饋電點(diǎn)分配給發(fā)射、接收通道，從而顯著降低兩者間干擾。

如圖9所示，無論發(fā)射或接收通道激勵起電磁場輻射時，對方通道均處于電場分布的場強(qiáng)最弱處，從而使本通道的信號難以通過 PCB 板端路徑到達(dá)對方通道。

圖9

這種設(shè)計帶來的另一個特性是，發(fā)射、接收信號將呈現(xiàn)一對正交極化的特性，原理上正交極化信號是難以被對方接收的；但雷達(dá)應(yīng)用環(huán)境中，目標(biāo)反射回的電磁波會發(fā)生極化偏轉(zhuǎn)；如圖10（a），是應(yīng)用于安檢的雷達(dá)系統(tǒng)，同時采用了與發(fā)射通道極化平行、正交的接收通道來接收目標(biāo)信號；而圖10（b）展示了檢測不同物體時，在兩種接收通道上信號量級的不同。

目標(biāo)返回的雷達(dá)信號，偏轉(zhuǎn)程度隨電磁波頻率及目標(biāo)的尺寸、材質(zhì)特性、傳輸路徑而不同。因此，交叉極化設(shè)計的雷達(dá)模組依舊能接收到目標(biāo)信號，只是在評估雷達(dá)綜合性能時要考慮到極化偏轉(zhuǎn)的因素。

圖10（a）

※圖片來自網(wǎng)絡(luò)，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除

圖10（b）

※圖片來自網(wǎng)絡(luò)，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除

如前篇所述，微帶傳輸線具有一定的輻射能力，因此與天線同層的微帶饋線會影響天線通道的正交性；解決方案之一是將帶線布在天線參考地下方，通過過孔與天線連接如圖11（a）；這樣帶線在天線背面的輻射幾乎不影響天線本體的特性。另外，在天線的幾何中點(diǎn)，即發(fā)射、接收通道均為電場最弱值的位置，可以增加接地點(diǎn)；這樣在幾乎不影響工作頻率射頻性能的前提下，起到濾除低頻干擾的效果。

圖11（a）

圖11（b）

圖11（b）為應(yīng)用了如上方案的我司參考設(shè)計板型。

以上具體的設(shè)計信息，可查閱我司天線專利號 CN212751135U 。

如需要進(jìn)一步壓低收發(fā)干擾，可以采用對向差分饋電的方式；如圖12（a），A端口的信號在流向B端后彼此形成抑制，從而降低AB端（收發(fā)端）之間的干擾。

圖12(a)

圖12（b）

圖12（b）為應(yīng)用了如上方案的我司參考設(shè)計板型。

以上具體的設(shè)計信息，可查閱我司天線發(fā)明專利號 CN115189131A 。

3

單天線收發(fā)合路

上述的單天線方案，基本前提是天線呈正多邊形設(shè)計，天線及周圍環(huán)境均正交對稱；但不是所有設(shè)計背景均能滿足這樣的要求。而接下來介紹的方案，天線本體可靈活設(shè)計，但需要設(shè)計與之匹配的合路網(wǎng)絡(luò)，架構(gòu)如圖14（a），我司參考設(shè)計如圖14（b）。

圖14（a）

※圖片來自網(wǎng)絡(luò)，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除

圖14（b）

其中 P123 端口阻抗均為 Z0；原理上，發(fā)射端 P2 的信號，除去供給 P1 端天線之外，剩下分兩路（過電阻，過環(huán)形帶線）到達(dá)接收端 P3，而這兩路路徑長度差半個波長，相位相反互相抵消，從而使得收發(fā)干擾降低。

但本饋電網(wǎng)絡(luò)也有缺點(diǎn)，首先是無論 P2 或 P3 與天線端 P1 收發(fā)電磁波，均存在 3dB 損耗；在雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)射、接收來回即增加了 6dB 損耗；另外，雖然 P2、P3 端口之間天然隔離，但這是在三個端口都完美匹配的前提下；如果存在失配，則由 P1 反射回合路器的信號將按 1：1 返回 P2 和 P3 ，而此信號無法被抵消，使得收發(fā)干擾提升。

結(jié)語

經(jīng)過上述分享可以看出，在有成本、尺寸、工藝條件限制的要求下，雷達(dá)天線的設(shè)計很難用一種通用設(shè)計滿足所有場景的需求，從方案架構(gòu)到細(xì)節(jié)上每一個參數(shù)的選定，都需要充分權(quán)衡，最終設(shè)計出各項性能未必最優(yōu)，但最適合產(chǎn)品的天線方案。

本文全篇只是做了簡單的介紹，而在上述的方案背后，是實(shí)際工程中反復(fù)探究、試錯、總結(jié)、優(yōu)化的過程；專利技術(shù)成果之下，是在實(shí)際應(yīng)用時，如何解決典型問題、發(fā)掘潛在風(fēng)險的積累。在信息化時代，方案的獲取和參考變得容易，但這僅加速了前期研發(fā)進(jìn)度；而其背后的積累才是方案落地、產(chǎn)品批量化生產(chǎn)的保障，因而顯得更為珍貴。

技術(shù)支持

以上僅介紹了和本文內(nèi)容相關(guān)的我司技術(shù)方案，而其它形式的天線、乃至芯片、算法、模組同樣有類似的技術(shù)方案參考資料，并配有對應(yīng)的發(fā)明專利和實(shí)用新型專利。誠然，專利具有法律保護(hù)效應(yīng)，而我司則會將與之對應(yīng)的芯片、天線、算法及模組全套解決?案，無償開放給采用隔空科技芯片方案的客戶，以更好地助力產(chǎn)品項目的開發(fā)。同樣地，我司也會提供完善的客戶支持及培訓(xùn)服務(wù)，以保障產(chǎn)品項目的最終落地及生產(chǎn)。