汽车雷达线路板厂讲汽车雷达天线的选择

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一、天线设计注意事项

汽车雷达线路板厂了解到，在FMCW雷达系统中，天线用于发射连续的电磁波，FMCW的频率随时间调制。从环境中的物体反射回来的信号也被天线接收，并将其反馈回雷达系统进行处理。

在为FMCW汽车雷达模块设计天线时，需要考虑一些比较关键的地方，如下：

(1) 首先，天线带宽应足以覆盖感兴趣的频段（远程雷达为76-77GHz，角雷达和成像雷达为77-81GHz，具体取决于国家、地区和标准）.

(2) 同时，为了保持良好的匹配和辐射特性，天线增益和波束宽度必须在所有频率扫描范围内得到保证，以保证所需的探测范围和FOV。

(3)另外，可以采用行间距半波长的天线阵列获得最大化的FOV，但是这可能导致天线阵元之间产生剧烈的互耦，从而导致性能下降。

(4)天线的设计还应尽量减少来自电路板上其他组件、模块外壳和车辆部件（如仪表盘或标志）的任何干扰或反射。

(5)最后，天线还必须尽可能小和紧凑，以适应分配给雷达模块的可用空间，而不会降低效率，同时保持尽可能低的制造和组装成本。

最简单的选择是使用直接打印在PCB板上的平面天线，但制造业的技术进步促进了对3D天线的兴趣，其中包括基于波导的几何形状和透镜。

二、贴片阵列天线

多年来，微带贴片天线因其紧凑的尺寸、轻薄的外形和定向辐射方向图而成为汽车雷达系统中最受欢迎的发射器。微带贴片天线还能够覆盖低到中等带宽雷达应用的频段。此外，微带贴片天线易于集成，可以直接印刷在PCB上，并且不需要额外的组件或制造步骤。

贴片天线由印刷在 PCB 接地平面上的金属结构组成，最常见的天线是串联馈电线性贴片阵列，但也可以找到其他结构，例如梳状线天线或并馈贴片阵列。

图 1：16 片贴片天线阵列(仿真模型)

在线性贴片阵列中，单个贴片的长度将决定操作频率，而改变贴片宽度将决定阵元对总辐射的振幅贡献。相位分布由阵列中阵元之间的间距和连接它们的线的长度设置。因此，通过调整宽度和间距，可以塑造辐射方向图以匹配所需的特性，例如低旁瓣电平以减少干扰。

图 2：串联馈电线性贴片阵列（模拟场分布和辐射模式）

毫米波雷达的高工作频率给贴片天线阵列的设计带来了挑战，天线馈电线路的损耗可能很大，从而导致贴片天线阵列的效率和增益下降。这些损耗来自 PCB 的介电材料和金属线的高电阻。因此，好的做法是尽量缩短线路，同时使用高质量的层压板作为印刷天线层的基板。

此外，串联馈电贴片阵列的带宽会受到印刷电路板薄材料上单个贴片阵元带宽的限制。此外，馈电线也会进一步限制可实现的带宽。此外，还必须精确控制馈入每个阵元的信号相位，以实现所需的辐射方向的叠加。相位由贴片之间的线路长度和它们之间的距离决定，这种效应与频率有关，因此会导致增益和指向方向沿工作频带发生一定的变化。

上述中已经讨论过，天线之间最大视场的最佳距离是半波长。这意味着，串联馈电贴片天线阵列中相邻贴片的间距很近，这可能会导致很高的相互耦合，从而降低阵列的性能。此外，在某些情况下，某些频率会出现较高的交叉极化水平，从而降低天线的整体性能。

所有这些方面都使得汽车雷达贴片天线的设计成为一项棘手的任务，需要使用先进的电磁仿真工具以及丰富的技能和经验。

制造公差对汽车雷达波段的贴片阵列天线性能也有很大影响，蚀刻公差、表面光洁度缺陷和材料参数变化都会对性能产生重大影响。为了保持所需的一致性，需要高质量的材料和高精度的制造加工技术，这就增加了电路板的成本，进而增加了整个系统的成本。

图 3：带有线性贴片阵列天线的雷达板

三、开槽波导天线

开槽波导天线由于性能好、可靠性高、易于集成，也被广泛应用于汽车雷达系统。与其他类型的天线相比，开槽波导天线的主要优势之一是可以在较低损耗的情况下工作在较高的频率，因为波导中的传播介质是空气，这几乎消除了所有介质损耗。波导通常由导电材料制成，过去会使用铜或铝，通过高精度加工蚀刻槽。但随着制造技术的进步，金属化塑料注塑成型和 3D 打印技术正变得越来越流行。

图 4：用于雷达的 16 个阵元开槽波导阵列(仿真模型)

开槽波导天线由一个或多个矩形波导组成，在较宽的波导壁上开有窄槽。这些窄槽起到辐射器的作用，向通过波导传输的信号馈电。波导上各个槽的大小、形状和位置将决定波导的工作频率和耦合模式，插槽之间的距离将决定阵列的整体辐射特性，包括侧叶电平。

图 5：开槽波导天线(模拟场分布和辐射模式)

开槽波导天线比贴片阵列天线具有更高的功率处理能力。与之相比，它们的损耗也更低，从而提高了雷达系统的整体增益和效率。另一个优势是其固有的宽带宽，这使其特别适合大带宽、高分辨率应用。

另一方面，波导天线可能比其他类型的天线更复杂，需要的空间也更大，最大视场所需的半波长栅瓣将不能被遵守，这可能导致角度分辨率降低。

波导天线的主要挑战之一是需要精心设计和制造，因为它们对微小的几何变化和制造公差非常敏感，因此精确的仿真模型和无源天线特性分析是成功设计的关键。

此外，汽车天线PCB厂了解到，波导天线还需要额外的组装过程，在电路板上进行高精度定位，以及定制适配器，以便将信号从收发器传输到波导。然而，随着制造技术的进步，现在可以利用金属化塑料等相对低成本的技术制造出尺寸小、外形扁平的开槽波导天线。

图 6：带有开槽波导天线的雷达板

四、总结

线性贴片阵列和开槽波导阵列可能是汽车雷达应用中最常用的两种天线类型，但它们具有不同的特性，因此更适合不同类型的应用。

最终，雷达系统中天线类型的选择将取决于应用的具体要求，如所需的范围和视场，以及将雷达模块集成到车辆中的物理限制，成本、可制造性和系统复杂性也是决定性因素。

开槽波导阵列可能更适合需要高功率、高增益和高精度的远程和成像雷达系统。另一方面，贴片阵列天线可能更适合短程雷达应用，因为对于短程雷达应用来说，小尺寸和宽波束宽度更为重要。

最终，它们之间的选择取决于应用的具体要求，如所需的范围和视场，以及将雷达模块集成到车辆中的物理限制，成本、可制造性和系统复杂性也是决定性因素。

其他选择，如介质透镜和金属透镜也在汽车市场找到了自己的位置，如果引入更高的频段，它们可能会卷土重来。新的应用，如车厢内的侧面碰撞传感器，其范围小、成本低，可能需要封装天线。

HDI厂了解到，无论选择哪种类型的天线，仍有一个问题需要解决：如何优化雷达信号从雷达收发器到天线的传输，反之亦然。

（www.china-hdi.com/）