微帶平面天線在雷達中的應用（下）

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中的應用（上）?，接下來我們將針對天線設計的技巧及注意事項做介紹。

雷達天線設計思路

單個天線的設計完畢后，在融入雷達系統時，面對的首個問題就是——雷達是自發自收系統，且收發同頻，無法像無線通信中分配不同頻段來隔離上下行通道。這就給雷達帶來了更嚴苛的抗收發干擾挑戰。

按天線與雷達發射、接收通道的連接方式，可以把雷達天線方案分為：

發射通道與接收通道分別與獨立的天線連接；

發射通道與接收通道通過正交極化與同一天線連接；

發射通道與接收通道通過功分器合路與同一天線連接。

1

收發天線分離

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

降低收發干擾，最直接的方式是拉開收發天線間距；但在集成化設計中往往難以實現；除此之外，就需要在從發射端到接收端的路徑上，讓干擾信號衰減、轉換為其它形態、抵消。

相對簡單有效的方法之一，是調整天線方向，讓收發天線的輻射邊不彼此相對；這樣發射天線沿 PCB 傳播的干擾信號需經過復數次衍射到達接收天線，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）結構，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）；左側發射天線表面電流強度較高，而經過中間排列的若干EBD結構后，在右側接收天線處，表面電流強度已明顯降低（電流強度由強至弱，按暖色至冷色對應）。其中 EBG 結構的電容、電感大小應和干擾信號頻率對應，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，左側發射天線電場強度較高，而經過兩個鏡像的C形開槽后，在右側接收天線處電場強度已明顯降低（場強強度由強至弱，按暖色至冷色對應）。

圖7（b）

圖7（c）

而圖7（c）為應用了如上方案的我司參考設計板型。

以上具體的設計信息，可查閱我司相關天線發明專利 CN113612027A 。

除上述方法外，還可以引入 RLC 振蕩電路，可以使得接收、發射天線間的耦合電磁波能量被振蕩器吸收，從而降低發射、接收天線兩者間的耦合效應，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）為應用了如上方案的我司參考設計板型。

以上具體的設計信息，可查閱我司相關天線發明專利CN115548676A 。

2

單天線收發正交

通常為了縮小尺寸，需要采用單天線設計，此時首先需要解決的依然是收發干擾問題；因為發射、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分配給發射、接收通道，從而顯著降低兩者間干擾。

如圖9所示，無論發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最弱處，從而使本通道的信號難以通過 PCB 板端路徑到達對方通道。

圖9

這種設計帶來的另一個特性是，發射、接收信號將呈現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；但雷達應用環境中，目標反射回的電磁波會發生極化偏轉；如圖10（a），是應用于安檢的雷達系統，同時采用了與發射通道極化平行、正交的接收通道來接收目標信號；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。

目標返回的雷達信號，偏轉程度隨電磁波頻率及目標的尺寸、材質特性、傳輸路徑而不同。因此，交叉極化設計的雷達模組依舊能接收到目標信號，只是在評估雷達綜合性能時要考慮到極化偏轉的因素。

圖10（a）

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圖10（b）

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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，即發射、接收通道均為電場最弱值的位置，可以增加接地點；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）為應用了如上方案的我司參考設計板型。

以上具體的設計信息，可查閱我司天線專利號 CN212751135U 。

如需要進一步壓低收發干擾，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（收發端）之間的干擾。

圖12(a)

圖12（b）

圖12（b）為應用了如上方案的我司參考設計板型。

以上具體的設計信息，可查閱我司天線發明專利號 CN115189131A 。

3

單天線收發合路

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

圖14（a）

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圖14（b）

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

但本饋電網絡也有缺點，首先是無論 P2 或 P3 與天線端 P1 收發電磁波，均存在 3dB 損耗；在雷達系統中發射、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，使得收發干擾提升。

結語

經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，雷達天線的設計很難用一種通用設計滿足所有場景的需求，從方案架構到細節上每一個參數的選定，都需要充分權衡，最終設計出各項性能未必最優，但最適合產品的天線方案。

本文全篇只是做了簡單的介紹，而在上述的方案背后，是實際工程中反復探究、試錯、總結、優化的過程；專利技術成果之下，是在實際應用時，如何解決典型問題、發掘潛在風險的積累。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進度；而其背后的積累才是方案落地、產品批量化生產的保障，因而顯得更為珍貴。

技術支持

以上僅介紹了和本文內容相關的我司技術方案，而其它形式的天線、乃至芯片、算法、模組同樣有類似的技術方案參考資料，并配有對應的發明專利和實用新型專利。誠然，專利具有法律保護效應，而我司則會將與之對應的芯片、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，以更好地助力產品項目的開發。同樣地，我司也會提供完善的客戶支持及培訓服務，以保障產品項目的最終落地及生產。