一、天線設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

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(shí)間調(diào)制。從環(huán)境中的物體反射回來的信號(hào)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(jì)天線時(shí)，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(guó)家、地區(qū)和標(biāo)準(zhǔn)）.

(2) 同時(shí)，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(cè)范圍和FOV。

(3)另外，可以采用行間距半波長(zhǎng)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(jì)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(huì)降低效率，同時(shí)保持盡可能低的制造和組裝成本。

最簡(jiǎn)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(duì)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(gè)貼片的長(zhǎng)度將決定操作頻率，而改變貼片寬度將決定陣元對(duì)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(zhǎng)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(chǎng)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(jì)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(shí)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(huì)受到印刷電路板薄材料上單個(gè)貼片陣元帶寬的限制。此外，饋電線也會(huì)進(jìn)一步限制可實(shí)現(xiàn)的帶寬。此外，還必須精確控制饋入每個(gè)陣元的信號(hào)相位，以實(shí)現(xiàn)所需的輻射方向的疊加。相位由貼片之間的線路長(zhǎng)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(huì)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(chǎng)的最佳距離是半波長(zhǎng)。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(huì)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(huì)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(jì)成為一項(xiàng)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(yàn)。

制造公差對(duì)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(huì)對(duì)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(gè)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(shì)之一是可以在較低損耗的情況下工作在較高的頻率，因?yàn)椴▽?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(huì)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(gè)陣元開槽波導(dǎo)陣列(仿真模型)

開槽波導(dǎo)天線由一個(gè)或多個(gè)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?hào)饋電。波導(dǎo)上各個(gè)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(chǎng)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(gè)優(yōu)勢(shì)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(chǎng)所需的半波長(zhǎng)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(jì)和制造，因?yàn)樗鼈儗?duì)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(jì)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(hào)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(duì)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(chǎng)，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?yàn)閷?duì)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(chǎng)，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(chǎng)找到了自己的位置，如果引入更高的頻段，它們可能會(huì)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(gè)問題需要解決：如何優(yōu)化雷達(dá)信號(hào)從雷達(dá)收發(fā)器到天線的傳輸，反之亦然。