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微带阵列天线RO4350B板材的损耗及设计技巧总结

一般从以下几方面选择高频PCB板材：低介电常数，低损耗因子，频率和温度稳定性，以及成本（物料成本，设计-测试-制造成本）。ROGERS公司生产的RO4350B为碳氢树脂及陶瓷填料层压板和半固化片的低损耗材料，具有出色的高频性能（一般可以应用于30GHz以下）。由于RO4350B采用标准的环氧树脂/ 玻璃（FR-4）加工工艺进行加工，因此还具有低廉的线路加工成本。可以说，RO4350B达到了成本和高频性能的最优化，是最具性价比的低损耗高频板材。为了更好的实现设计要求，在设计微带阵列天线时研究了基于RO4350B板材的微带传输线在24GHz的插入损耗。

微带线插损分析

微带线插损主要包括导体损耗、介质损耗、表面波损耗和辐射损耗，其中以导体损耗和介质损耗为主。趋肤效应使得微带线上的高频电流集中于导带和接地板与介质基板直接接触的薄层上，等效交流电阻要远大于低频情况。当工作在10GHz以下时，微带线的导体损耗比介质损耗要大得多，当工作频率上升到24GHz，介质损耗超过导体损耗。

图1为RO4350B板材厚度为20mil的，HFSS计算的不同长度微带线插损情况。从图中可以看出，微带线的插损约为17dB/m，其中金属损耗、介质损耗和其它损耗分别为4.47dB/m、11.27dB/m、1.26dB/m。作为对比，表1为MWI2016计算的微带线插入损耗情况，从中可以看出相同条件下MWI计算值为24.4dB，其中介质损耗值接近，但是导体损耗值差了7dB。差异原因是HFSS模型中没有考虑导带和接地板的表面粗糙度。

图1：微带线插入损耗的HFSS计算结果

减小微带线插损措施
1）合理选择板厚、慎用绿油
由表1可以看出，相同特性阻抗的微带线，其导体损耗随着介质厚度的增加而减小，而介质损耗基本不变。原因是介质基板越厚，微带线宽越窄，高频电流更加集中，从而导体损耗越大。值得注意的是，绿油介质在24GHz的损耗正切角较大，会使微带线插损增加。因此在设计24GHz微带天线时，需要对天线区域进行阻焊开窗。

2）优选LoPro铜箔
导带和接地板铜箔表面粗糙度也是影响微带线的插损的重要因素。铜箔表面越光滑，导体损耗越小。RO4350B提供了可电解铜箔（ED）和低粗糙度反转处理铜箔（LoPro）两种覆铜类型，其中ED铜箔的表面粗糙度在3um左右，LoPro铜箔可以达到0.4um，因此能有效减少导体损耗。图2显示了这两种铜箔的微带线插损对比，介质基板厚度均为0.1mm。从图中可以看出，24GHz时LoPro铜箔微带线的插损比ED铜箔小40%。

3）合理选择表面处理工艺
表面处理工艺也是影响导体损耗的因素之一。常见的表面处理工艺有四种，分为沉银、沉金（无镍金）、 镍金（镍3-5um,金2.54-7.62um）和沉锡。表2给出了这几种金属的电参数，其中镍属于铁磁性材料，其磁介电常数为600。根据趋肤深度计算公式，镍的趋肤深度要比其他金属小一个量级，因此镍的表面电阻要比其他金属大几十倍，导致镍金工艺的导体损耗要远大于其他工艺。图3是对比了裸铜、沉银和镍金表面处理工艺的插损，基板厚度均为20mil。从图中可以看出，沉银工艺和裸铜的插损差不多，但镍金表面处理后的微带线插损要大4dB/m（10GHz），可以预见，这个差值在24GHz时会更大。

综上，我们在利用RO4350B介质基板设计24GHz微带天线或者微带电路时，需要根据性能和成本要求综合考虑介质板厚度、覆铜类型以及表面处理工艺。结论同样适用于Rogers RO4000和RO3000系列的大部分板材。

笔者使用罗杰斯电路板RogersRO4350B成功设计了一系列24GHz微带阵列天线，均已应用于公司上市产品，故对其应用进行一些设计技巧的总结。

厚度选择

厚度主要根据微带天线工作带宽、馈电网络设计和天线效率三个因素来选择。
1、PCB厚度影响微带天线的阻抗带宽。 PCB厚度越小，阵列尺寸越大，微带天线的工作带宽越小。

2、介质的厚度影响微带线的导体损耗，进而影响微波射频天线的效率。基于以上因素，笔者的设计经验是，小阵列选择10mil或20mil厚度，大阵列选择20mil厚度，微波射频板选择10mil厚度。

3、PCB的厚度决定了微带线在馈电网络阻抗变化段的线宽。对于RO4350B板，厚度为20mil，50Ω和100Ω微带线的线宽分别为1.13mm和0.27mm，对应的微带天线在24GHz的谐振长度约为3mm。如果馈电网络中微带转换段的阻抗过小或过大，都会造成微带天线 线太宽或太窄，微带天线的线太宽，容易造成结构干扰。如果微带天线的线路太窄，会造成加工困难。

天线类型

微带阵列天线按馈电方式分为并联馈电阵列和串联馈电阵列。并联馈电阵列馈线更长，导致馈线网络中的损耗更大。对于大规模阵列，天线效率往往是有限的，因此一般选择布线更简单的串联馈电阵列。串联馈电阵列是谐振天线，其工作带宽比并联馈电阵列小，但串联馈电结构更容易实现加权激励。作者设计的不同尺度的串联馈电微带阵列天线。它们都使用20mil 厚的RO4350B。随着阵列尺寸变大，阻抗带宽逐渐减小。带宽为1.2GHz，16个阵元时带宽为1.2GHz，而324个阵元时带宽仅为0.75GHz。通常使用连续波系统的24GHz雷达频率调制带宽小于250MHz，因此串联馈电阵列的阻抗带宽可以满足大部分系统设计要求。

天线与射频芯片的互连

目前，国内外芯片厂商已经在市场上量产了24GHz射频芯片。在零中频雷达架构中，射频芯片的引脚直接连接到微带收发器天线端口。采用天线电路板（高频板）+多层FR4+微波射频板（高频板）时，天线与射频芯片之间通过金属化过孔实现互连。在24GHz频段，长度大于1mm的金属化过孔引入的不连续性会非常明显。解决方法是在金属化过孔周围增加几个对称的金属化接地过孔，形成类似同轴的传输结构。当天线和射频芯片位于PCB电路板的同一侧时，射频芯片和收发天线通过微带线或共面波导直接连接。这种设计可以最大限度地减少传输线的插入损耗。

低副瓣设计

方向图的副瓣电平是阵列天线的重要设计指标。低副瓣设计可以减少雷达主波束外的环境干扰。它的功能相当于一个空间过滤，对提高雷达信噪比非常有效。 均匀分布阵列天线的副瓣电平大于-13dB。 为了获得较低的副瓣，馈入每个阵元的功率通过馈电网络形成一定的低副瓣加权分布。 常用的等相位不等幅低副瓣加权分布方法包括Chebyshev布和Taylor分布。 根据旁瓣电平和阵元数，很容易合成出理想的加权分布。 剩下的工作就是反复优化馈电网络，使馈入每个阵元的功率接近理想分布。