一、天線設(shè)計注意事項

汽車?yán)走_(dá)線路板廠了解到，在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)中，天線用于發(fā)射連續(xù)的電磁波，F(xiàn)MCW的頻率隨時間調(diào)制。從環(huán)境中的物體反射回來的信號也被天線接收，并將其反饋回雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

在為FMCW汽車?yán)走_(dá)模塊設(shè)計天線時，需要考慮一些比較關(guān)鍵的地方，如下：

(1) 首先，天線帶寬應(yīng)足以覆蓋感興趣的頻段（遠(yuǎn)程雷達(dá)為76-77GHz，角雷達(dá)和成像雷達(dá)為77-81GHz，具體取決于國家、地區(qū)和標(biāo)準(zhǔn)）.

(2) 同時，為了保持良好的匹配和輻射特性，天線增益和波束寬度必須在所有頻率掃描范圍內(nèi)得到保證，以保證所需的探測范圍和FOV。

(3)另外，可以采用行間距半波長的天線陣列獲得最大化的FOV，但是這可能導(dǎo)致天線陣元之間產(chǎn)生劇烈的互耦，從而導(dǎo)致性能下降。

(4)天線的設(shè)計還應(yīng)盡量減少來自電路板上其他組件、模塊外殼和車輛部件（如儀表盤或標(biāo)志）的任何干擾或反射。

(5)最后，天線還必須盡可能小和緊湊，以適應(yīng)分配給雷達(dá)模塊的可用空間，而不會降低效率，同時保持盡可能低的制造和組裝成本。

最簡單的選擇是使用直接打印在PCB板上的平面天線，但制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了對3D天線的興趣，其中包括基于波導(dǎo)的幾何形狀和透鏡。

二、貼片陣列天線

多年來，微帶貼片天線因其緊湊的尺寸、輕薄的外形和定向輻射方向圖而成為汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中最受歡迎的發(fā)射器。微帶貼片天線還能夠覆蓋低到中等帶寬雷達(dá)應(yīng)用的頻段。此外，微帶貼片天線易于集成，可以直接印刷在PCB上，并且不需要額外的組件或制造步驟。

貼片天線由印刷在 PCB 接地平面上的金屬結(jié)構(gòu)組成，最常見的天線是串聯(lián)饋電線性貼片陣列，但也可以找到其他結(jié)構(gòu)，例如梳狀線天線或并饋貼片陣列。

圖 1：16 片貼片天線陣列(仿真模型)

在線性貼片陣列中，單個貼片的長度將決定操作頻率，而改變貼片寬度將決定陣元對總輻射的振幅貢獻(xiàn)。相位分布由陣列中陣元之間的間距和連接它們的線的長度設(shè)置。因此，通過調(diào)整寬度和間距，可以塑造輻射方向圖以匹配所需的特性，例如低旁瓣電平以減少干擾。

圖 2：串聯(lián)饋電線性貼片陣列（模擬場分布和輻射模式）

毫米波雷達(dá)的高工作頻率給貼片天線陣列的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，天線饋電線路的損耗可能很大，從而導(dǎo)致貼片天線陣列的效率和增益下降。這些損耗來自 PCB 的介電材料和金屬線的高電阻。因此，好的做法是盡量縮短線路，同時使用高質(zhì)量的層壓板作為印刷天線層的基板。

此外，串聯(lián)饋電貼片陣列的帶寬會受到印刷電路板薄材料上單個貼片陣元帶寬的限制。此外，饋電線也會進(jìn)一步限制可實現(xiàn)的帶寬。此外，還必須精確控制饋入每個陣元的信號相位，以實現(xiàn)所需的輻射方向的疊加。相位由貼片之間的線路長度和它們之間的距離決定，這種效應(yīng)與頻率有關(guān)，因此會導(dǎo)致增益和指向方向沿工作頻帶發(fā)生一定的變化。

上述中已經(jīng)討論過，天線之間最大視場的最佳距離是半波長。這意味著，串聯(lián)饋電貼片天線陣列中相鄰貼片的間距很近，這可能會導(dǎo)致很高的相互耦合，從而降低陣列的性能。此外，在某些情況下，某些頻率會出現(xiàn)較高的交叉極化水平，從而降低天線的整體性能。

所有這些方面都使得汽車?yán)走_(dá)貼片天線的設(shè)計成為一項棘手的任務(wù)，需要使用先進(jìn)的電磁仿真工具以及豐富的技能和經(jīng)驗。

制造公差對汽車?yán)走_(dá)波段的貼片陣列天線性能也有很大影響，蝕刻公差、表面光潔度缺陷和材料參數(shù)變化都會對性能產(chǎn)生重大影響。為了保持所需的一致性，需要高質(zhì)量的材料和高精度的制造加工技術(shù)，這就增加了電路板的成本，進(jìn)而增加了整個系統(tǒng)的成本。

圖 3：帶有線性貼片陣列天線的雷達(dá)板

三、開槽波導(dǎo)天線

開槽波導(dǎo)天線由于性能好、可靠性高、易于集成，也被廣泛應(yīng)用于汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。與其他類型的天線相比，開槽波導(dǎo)天線的主要優(yōu)勢之一是可以在較低損耗的情況下工作在較高的頻率，因為波導(dǎo)中的傳播介質(zhì)是空氣，這幾乎消除了所有介質(zhì)損耗。波導(dǎo)通常由導(dǎo)電材料制成，過去會使用銅或鋁，通過高精度加工蝕刻槽。但隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，金屬化塑料注塑成型和 3D 打印技術(shù)正變得越來越流行。

圖 4：用于雷達(dá)的 16 個陣元開槽波導(dǎo)陣列(仿真模型)

開槽波導(dǎo)天線由一個或多個矩形波導(dǎo)組成，在較寬的波導(dǎo)壁上開有窄槽。這些窄槽起到輻射器的作用，向通過波導(dǎo)傳輸?shù)男盘栶侂?。波?dǎo)上各個槽的大小、形狀和位置將決定波導(dǎo)的工作頻率和耦合模式，插槽之間的距離將決定陣列的整體輻射特性，包括側(cè)葉電平。

圖 5：開槽波導(dǎo)天線(模擬場分布和輻射模式)

開槽波導(dǎo)天線比貼片陣列天線具有更高的功率處理能力。與之相比，它們的損耗也更低，從而提高了雷達(dá)系統(tǒng)的整體增益和效率。另一個優(yōu)勢是其固有的寬帶寬，這使其特別適合大帶寬、高分辨率應(yīng)用。

另一方面，波導(dǎo)天線可能比其他類型的天線更復(fù)雜，需要的空間也更大，最大視場所需的半波長柵瓣將不能被遵守，這可能導(dǎo)致角度分辨率降低。
 

波導(dǎo)天線的主要挑戰(zhàn)之一是需要精心設(shè)計和制造，因為它們對微小的幾何變化和制造公差非常敏感，因此精確的仿真模型和無源天線特性分析是成功設(shè)計的關(guān)鍵。

此外，汽車天線PCB廠了解到，波導(dǎo)天線還需要額外的組裝過程，在電路板上進(jìn)行高精度定位，以及定制適配器，以便將信號從收發(fā)器傳輸?shù)讲▽?dǎo)。然而，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在可以利用金屬化塑料等相對低成本的技術(shù)制造出尺寸小、外形扁平的開槽波導(dǎo)天線。

圖 6：帶有開槽波導(dǎo)天線的雷達(dá)板

四、總結(jié)
 

線性貼片陣列和開槽波導(dǎo)陣列可能是汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中最常用的兩種天線類型，但它們具有不同的特性，因此更適合不同類型的應(yīng)用。

最終，雷達(dá)系統(tǒng)中天線類型的選擇將取決于應(yīng)用的具體要求，如所需的范圍和視場，以及將雷達(dá)模塊集成到車輛中的物理限制，成本、可制造性和系統(tǒng)復(fù)雜性也是決定性因素。

開槽波導(dǎo)陣列可能更適合需要高功率、高增益和高精度的遠(yuǎn)程和成像雷達(dá)系統(tǒng)。另一方面，貼片陣列天線可能更適合短程雷達(dá)應(yīng)用，因為對于短程雷達(dá)應(yīng)用來說，小尺寸和寬波束寬度更為重要。

最終，它們之間的選擇取決于應(yīng)用的具體要求，如所需的范圍和視場，以及將雷達(dá)模塊集成到車輛中的物理限制，成本、可制造性和系統(tǒng)復(fù)雜性也是決定性因素。

其他選擇，如介質(zhì)透鏡和金屬透鏡也在汽車市場找到了自己的位置，如果引入更高的頻段，它們可能會卷土重來。新的應(yīng)用，如車廂內(nèi)的側(cè)面碰撞傳感器，其范圍小、成本低，可能需要封裝天線。

HDI廠了解到，無論選擇哪種類型的天線，仍有一個問題需要解決：如何優(yōu)化雷達(dá)信號從雷達(dá)收發(fā)器到天線的傳輸，反之亦然。

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