毫米波雷达天线综述.docx

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1、毫米波雷达天线综述目录1-序言1?天线形式1?串馈阵天线1?梳状天线3?波导缝隙阵列天线5?AOP天线6?表面处理工艺8?沉银8?沉锡8?沉金9?化学银钿金9999999QSP9?塑料金属化技术（meta11izedp1astictechno1ogy）9?芯片选型10?天线罩设计13?天线罩壁厚影响14?空气间隙影响16?天线罩材料161.序言笔者就目前毫米波雷达市场端产品分类，通过文献和产业链梳理，汇总了和毫米波天线的相关技术供读者朋友们参考。主要包括雷达所采用的天线形式、天线表面处理工艺，并罗列射频芯片选型及一些关键性问题如天线罩设计等。欢迎大家指正和补充。天线形式结合车载、工业、康养以及

2、气象和航空等领域的民用雷达现状，毫米波雷达天线的主要形式有微带阵列天线（包括方形串馈阵列和梳状阵列）、金属腔体天线（包括波导缝隙阵列和基片集成波导天线）以及主打小体积高性能的片上天线（AoP或AiP）。串馈阵天线串馈阵列天线通常用于24GHz、60GHZ和77GHZ等无线通信频段。阵列的增益范围在7dBi20dBi之间，极化形式为线性极化，端口阻抗范围在50Q300Q之间。串馈阵列天线和基本微带天线单元一样，优势主要在于小尺寸和加工工艺成熟这两点。在天线设计好后，PCB板厂对关键尺寸及介质基板的介电常数进行管控，通常仿真和实测结果是比较吻合的。串馈阵列天线可以分为两种类型，一种是谐振式阵列天线

3、，另一种是行波阵列天线。考虑到辐射效率，目前大多数雷达应用还是以谐振式阵列天线。因为对于行波阵列而言，由于接了负载,从馈电端口进入天线的幅度是不断衰减的，且最后剩余的功率会被负载完全吸收，从而降低辐射效率。同时阵元之间的渐进相位累积会使得天线最大辐射方向产生偏转，和法线形成一定夹角，当工作频率变化时，夹角也随着变化，实现频扫功能。对谐振式阵列而言，阵元由微带传输线连接，且终端开路。对阵元做不同程度的分布锥削就能实现特定旁瓣电平的辐射性能。由于每个阵列单元的相位相同，同相辐射的情况下方向图是不会产生偏转的。但通常谐振式阵列的带宽很窄，且增益强度正比于阵列单元数量，因此要增强天线增益应该增加阵元数

4、量，对于带宽，可以从基材高度、阵列单元着手。不过值得注意的是，理论上当天线阵元数量增加一倍时，阵列增益强度增加3dB,但实际上微带天线阵列能实现的最强增益强度约为20dBi.77GHZ串馈阵60GHZ串馈阵图1不同频率的串馈阵图260G串馈阵3D方向图和2D平面图天线性能参数主要关注端口散射参数、VSWR波束宽度、增强强度以及旁瓣电平等。这些参数有时是两两制约的，比如要想实现较强的增益强度同时实现宽角度辐射，在无源的条件下是难以实现的。图377G串馈阵天线梳状天线梳状天线也常用于雷达通信，本质上也是微带天线，在车载领域应用居多。车载雷达按照工作距离分为3种不同类型；远程雷达（1RR）、中程雷达

5、（MRR）和短程雷达（SRR）。1RR系统通常安装在车辆前部，用于检测前方25Om以内的物体，而SRR系统则用于检测30m以内的物体。1RR需要窄波束，而SRR需要更宽的波束。MRR介于1RR和SRR之间，可用于多种应用。梳状天线可以作为实现远程雷达的备选微带天线方案之一。作为微带天线的一种，其典型结构如图4所示。中心有一条长馈线，馈线上连接有多个短截线。一般来说，短截线的长度和间距设计为波导波长的一半（入g2）,和串馈阵的主要区别在于极化方式，且梳状阵列在大角度时，能有效减小天线罩及保险杠对天线性能的影响。其中大陆ARS系列以及特斯拉雷达天线均采用梳状阵列天线设计。可以用和串馈阵一样的微带馈

6、电，也可以使用同轴线缆馈电。由于阵列末端开路，是谐振式阵列天线。图5特拉斯雷达PCB波导缝隙阵列天线波导缝隙列通常用于微波频率，并且在雷达应用中也特别广泛。金属表面具有更高的硬度，同时由于没有使用介质，因此损耗低且能承受高功率。和微带天线一样，线性波导阵列也分为谐振式和行波阵列。行波阵列的从馈源发射的电磁波的幅度向负载衰减，其中少量剩余功率被匹配负载吸收。行波和辐射缝隙之间的耦合朝着负载方向增加，使得来自阵列的后半部分的辐射强度与来自前半部分的辐射强度相当。这些缝隙间隔开，使得相邻缝隙之间存在渐进的相移。随着工作频率的变化，主瓣方向发射偏转，也是一种频扫天线。谐振式波导阵列天线由于波导末端以短

7、路终止，因此叠加反射波，将在波导内形成驻波，并且缝隙的中心处具有相同的场最大值。每个缝隙的辐射相位在中心频率处是相同的。波导缝隙天线的优势在于可以容易地改变缝隙和波导传输线之间的耦合。根据开缝位置（宽边和窄边）以及不同缝隙旋转度可以设计不同形式的阵列。在目前车载毫米波雷达的设计中，在保证辐射性能的前提下，宽边开缝是比较容易实现的方法。从等效电路的角度来看，天线中邻缝隙中心之间的波导部分是传输线，缝隙是与传输线并联的有损谐振元件。在缝隙的谐振频率（选择与中心频率相同）下，缝隙导纳几乎是纯实数，并且可以用电导G表示。该缝隙电导以及与波导场的耦合，随着缝隙远离波导中心而增加。将波导末端的短路放置在最

8、后一个缝隙中心以外n/4g处（其中入g是波导中的波长，n=1,3,5.），此时对中心频率处的天线输入导纳没有影响。由于每个并联元件沿传输线间隔g2,因此第一个缝隙处的输入导纳是所有缝隙电导的总和。此外，这种间距可确保缝隙激励同相，从而保证天线的辐射方向。在阵列的中心频率处，缝隙电导简单地在馈电端口处加在一起，从而获得极其良好的匹配。然而，当缝隙尺寸及短路壁位置设计不恰当时，会存在一定的相位累积误差。同时这种相位误差随着阵列长度的增加而变得越来越严重，对于较大的阵列，阻抗带宽主要由波导的长度决定。对于小型阵列，带宽可能受到各个缝隙工作带宽的限制。以图7阵列为例，天线E平面的方向图非常宽，本质上是

9、单个缝隙的方向图。H面波束宽度由缝隙数量决定。在常规波导缝隙阵列的过程中，缝隙尺寸决定谐振频率及带宽，于中心轴的偏移量类似于微带阵列天线中的幅度锥削，实现不同旁瓣电平的阵列设计，同时需要保持波导缝隙的间距为导波波长的一半，并确保最后一个缝隙与波导短路之间的距离为波导四分之一波长的奇数倍，即入g/4、3入g/4、5入g/4等。加大缝隙偏移量，可以增加缝隙与波导之间的耦合（从而增加缝隙的电导）。AOP天线封装天线（AiP或者AOP天线）是当下毫米波领域的主流封装技术，如60GHZ短距离通信和手势识别雷达、79GHZ汽车雷达（BSD）、94GHz相控阵、122GHz、145GHz和160GHz传感器

10、以及300GHZ无线通信。为实现小尺寸、低功耗和低成本的毫米波产品奠定了基础。AiP技术是一种天线封装解决方案，在可承载射频芯片（收发器）的IC封装中实现一个或多个天线。可以进一步与前端组件（例如功率放大器（PA）或低噪声放大器（1NA）、开关、滤波器甚至电源管理集成电路（PM1C）集成，以使用系统级（System-in-Package）形成天线模块封装（SiP）技术：图8AntennaonpackageFromASEtechno1ogyAOP上辐射天线单元的选择通常基于那些形式简单的基础天线，见下图:天线类型描述优势劣势应用场*贴片天线52iJ*I*J小尺入矗如、用射单兀带宽窄、功率容低基站

11、、移动终然、S达、VR/AR宇田八目天线由驱动单元和反射单元构经、览用抗匹配,成的定向天线后向鲤射低功率容低、对在PCB中的位敏感移动终横格天线由不同的金属环蛆成层结构三小尺寸、轻、交叉极化低带宽二争四打犯引J序卷“可图9不同类型辐射单元及优劣势对比1更全面的介绍请阅南洋理工大学张跃平教授的综述论文。“封装填写技术发展历程回顾”。CA1TERAHCA177S244-ABTN47N97.00MOR20464AEFC1467084343：儡微信号然何褥睛才图IO力口特兰77G_AOPSOC1AnOverviewoftheDeve1opmentofAntennain-PackageTechno1og

12、yforHigh1yIntegratedWire1essDevicesByYUEPINGZHANG,Fe11owIEEE,ANDJUNFAMAO,Fe11owIEEE.?.表面处理工艺表面处理最基本的目的是保证良好的可焊性或电性能。由于自然界的铜在空气中倾向于以氧化物的形式存在，不大可能长期保持为原铜，因此需要对铜进行其他处理。印制电路板的表面处理可保护下方的铜不被氧化。止匕外，其可通过焊接，涂胶和粘结工艺，确保组件和逻辑芯片之间牢固连接。最常使用的化学处理工艺有化锡，化银镀金，化银把金。如果需要更加坚固（例如：滑动触点和插头触点）或对腐蚀反应有更高要求，则往往使用电镀工艺，例如镀金。这些通电

13、工艺的特点是，具有更高的Au（金）层厚度；2?.1.沉银通过让PCB完成沉浸到一种银离子溶液中，使银附着到铜的表面。沉银工艺介于有机涂覆和化学镀银/沉金之间，工艺比较简单、快速；即使暴露在热、湿和污染的环境中，银仍然能够保持良好的可焊性，但会失去光泽。由于银层下面没有银，因此沉银不具备化学镀银/沉金所具有的好的物理强度。?.2.沉锡由于目前所有的焊料都是以锡为基础的，所以锡层能与任何类型的焊料相匹配。化学沉锡工艺通过一个包含多个步骤的过程在导体表面上形成一个薄锡镀层，包括清理、微蚀刻、酸性溶液预浸、沉浸非电解浸锡溶液和最后清理等。化锡处理可以为铜和导体提供良好保护，有助于HSD电路的低损耗性能

14、。遗憾的是，由于随着时间推移，锡会对铜产生影响（即一种金属扩散到另一种金属中，会降低电路导体的长期性能），所以化学沉锡不属于使用寿命最长的导体表面处理方式。沉锡工艺可以形成平坦的铜锡金属间化合物，这个特性使得沉锡具有和热风整平一样的好的可焊性而没有平坦性问题。?.3.沉金沉金是在铜面上包裹一层厚厚的、电性良好的银金合金，这可以长期保护天线本体；另外它也具有其它表面处理工艺所不具备的对环境的忍耐性。此外沉金也可以阻止铜的溶解，这将有益于无铅组装。?.4.化学银钿金化学锲钿金与沉金相比是在银和金之间多了一层铝，钿可以防止出现置换反应导致的腐蚀现象，为沉金做好充分准备。金则紧密覆盖在把上面，提供良好

15、的接触面。?.5.OSPOSP是印刷电路板（FPe）铜箔表面处理的符合ROHS指令要求的一种工艺。OSP是OrganiCSOIderabi1ityPreSerVatiVeS的简称，中译为有机保焊膜，又称护铜剂，英文亦称之PrefIUX。简单地说，OSP就是在洁净的裸铜表面上，以化学的方法长出一层有机皮膜。这层膜具有防氧化，耐热冲击，耐湿性，用以保护铜表面于常态环境中不再继续生锈（氧化或硫化等）；但在后续的焊接高温中，此种保护膜又必须很容易被助焊剂所迅速清除，如此方可使露出的干净铜表面得以在极短的时间内与熔融焊锡立即结合成为牢固的焊点。OSP本身是绝缘的，不导电，会影响电气测试，且容易受酸性物质及温度影响，因此在进行二次回流焊时，需要控制过炉时间。微波杂志：“选择合适PCB表面处理以获得更长使用寿命”罗杰斯公司，JohnConnrod.?.6.塑料金属化技术（meta11izedp1astictechno1ogy）在采用金属腔体作为毫米波频段天线辐射体时，重量和加工精度往往是各大厂商比较关注的参数，尤其成本较高。从天线的工程角度来看，如果塑料金属