Aktualności - Konwersja energii w antenach radarowych

W obwodach lub systemach mikrofalowych cały obwód lub system składa się często z wielu podstawowych urządzeń mikrofalowych, takich jak filtry, sprzęgacze, dzielniki mocy itp. Oczekuje się, że za pomocą tych urządzeń możliwe będzie efektywne przesyłanie mocy sygnału z jednego punktu do drugiego przy minimalnych stratach;

W całym systemie radarowym pojazdu konwersja energii obejmuje głównie transfer energii z układu scalonego do źródła na płytce PCB, transfer źródła do korpusu anteny oraz efektywne promieniowanie energii przez antenę. W całym procesie transferu energii istotną rolę odgrywa konstrukcja konwertera. Konwertery w systemach fal milimetrowych obejmują głównie konwersję z mikropaska na zintegrowany falowód (SIW), konwersję z mikropaska na falowód, konwersję z SIW na falowód, konwersję z przewodu koncentrycznego na falowód, konwersję z falowodu na falowód oraz różne typy konwersji falowodów. W tym numerze skupimy się na projektowaniu mikropasmowej konwersji SIW.

Różne rodzaje struktur transportowych

Mikropasekjest jedną z najpowszechniej stosowanych struktur przewodzących przy stosunkowo niskich częstotliwościach mikrofalowych. Jej głównymi zaletami są prosta konstrukcja, niski koszt i wysoki poziom integracji z elementami do montażu powierzchniowego. Typowa linia mikropaskowa jest tworzona z przewodników po jednej stronie podłoża dielektrycznego, tworzących pojedynczą płaszczyznę uziemienia po drugiej stronie, nad którą znajduje się powietrze. Górny przewodnik to zasadniczo materiał przewodzący (zwykle miedź) w kształcie wąskiego drutu. Szerokość linii, grubość, względna przenikalność elektryczna i tangens strat dielektrycznych podłoża to ważne parametry. Ponadto grubość przewodnika (tj. grubość metalizacji) i jego przewodność mają również kluczowe znaczenie przy wyższych częstotliwościach. Starannie uwzględniając te parametry i wykorzystując linie mikropaskowe jako jednostkę bazową dla innych urządzeń, można zaprojektować wiele drukowanych urządzeń i komponentów mikrofalowych, takich jak filtry, sprzęgacze, dzielniki/sprzęgacze mocy, mieszacze itp. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości (przy przechodzeniu na stosunkowo wysokie częstotliwości mikrofalowe) rosną straty transmisyjne i pojawia się promieniowanie. Dlatego preferowane są falowody z rurami pustymi, takie jak falowody prostokątne, ze względu na mniejsze straty przy wyższych częstotliwościach (brak promieniowania). Wnętrze falowodu zazwyczaj wypełnia powietrze. W razie potrzeby można je jednak wypełnić materiałem dielektrycznym, co zapewnia mniejszy przekrój niż w przypadku falowodu wypełnionego gazem. Jednak falowody z pustą rurą są często nieporęczne, ciężkie, zwłaszcza przy niższych częstotliwościach, wymagają wyższych wymagań produkcyjnych, są drogie i nie można ich zintegrować z płaskimi strukturami drukowanymi.

Produkty antenowe RFMISO Microstrip:

RM-MA25527-22,25,5-27GHz

RM-MA425435-22,4,25-4,35 GHz

Drugim rozwiązaniem jest hybrydowa struktura naprowadzająca łącząca strukturę mikropaskową z falowodem, zwana falowodem zintegrowanym z podłożem (SIW). SIW to zintegrowana struktura przypominająca falowód, wykonana na materiale dielektrycznym, z przewodnikami u góry i u dołu oraz liniową matrycą dwóch metalowych otworów tworzących ścianki boczne. W porównaniu ze strukturami mikropaskowymi i falowodowymi, SIW jest ekonomiczny, charakteryzuje się stosunkowo prostym procesem produkcji i może być zintegrowany z urządzeniami planarnymi. Ponadto, wydajność w zakresie wysokich częstotliwości jest lepsza niż w przypadku struktur mikropaskowych i charakteryzuje się właściwościami rozpraszania falowodu. Jak pokazano na rysunku 1:

Wytyczne projektowe SIW

Zintegrowane podłożowo falowody (SIW) to zintegrowane struktury przypominające falowody, wytwarzane przy użyciu dwóch rzędów metalowych przelotek osadzonych w dielektryku łączącym dwie równoległe metalowe płytki. Rzędy metalowych otworów przelotowych tworzą ścianki boczne. Ta struktura ma cechy linii mikropaskowych i falowodów. Proces wytwarzania jest również podobny do innych drukowanych płaskich struktur. Typowa geometria SIW jest pokazana na rysunku 2.1, gdzie jej szerokość (tj. odstęp między przelotkami w kierunku poprzecznym (as)), średnica przelotek (d) i długość skoku (p) są używane do zaprojektowania struktury SIW. Najważniejsze parametry geometryczne (pokazane na rysunku 2.1) zostaną wyjaśnione w następnej sekcji. Należy zauważyć, że dominującym modem jest TE10, tak jak w przypadku prostokątnego falowodu. Zależność między częstotliwością odcięcia fc falowodów wypełnionych powietrzem (AFWG) i falowodów wypełnionych dielektrykiem (DFWG) a wymiarami a i b jest pierwszym punktem projektowania SIW. W przypadku falowodów wypełnionych powietrzem częstotliwość odcięcia jest taka, jak pokazano we wzorze poniżej

Podstawowa struktura SIW i wzór obliczeniowy[1]

gdzie c jest prędkością światła w wolnej przestrzeni, m i n są modami, a jest dłuższym rozmiarem falowodu, a b jest krótszym rozmiarem falowodu. Gdy falowód pracuje w modzie TE10, można to uprościć do fc=c/2a; gdy falowód jest wypełniony dielektrykiem, długość szerokiego boku a jest obliczana ze wzoru ad=a/Sqrt(εr), gdzie εr jest stałą dielektryczną ośrodka; aby SIW działał w modzie TE10, odstęp między otworami przelotowymi p, średnica d i szeroki bok as powinny spełniać wzór w prawym górnym rogu poniższego rysunku, a także istnieją wzory empiryczne d<λg i p<2d [2];

gdzie λg jest długością fali prowadzonej: Jednocześnie grubość podłoża nie ma wpływu na projekt rozmiaru SIW, ale wpływa na utratę struktury, dlatego należy wziąć pod uwagę zalety niskich strat wynikające z zastosowania podłoży o dużej grubości.

Konwersja mikropaskowa na SIW
Gdy struktura mikropaskowa musi zostać podłączona do SIW, zwężane przejście mikropaskowe jest jedną z głównych preferowanych metod przejścia, a zwężane przejście zazwyczaj zapewnia szerokopasmowe dopasowanie w porównaniu z innymi przejściami drukowanymi. Dobrze zaprojektowana struktura przejściowa charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem odbić, a straty wtrąceniowe są spowodowane głównie stratami dielektrycznymi i przewodzącymi. Wybór podłoża i materiałów przewodzących determinuje głównie straty przejścia. Ponieważ grubość podłoża ogranicza szerokość linii mikropaskowej, parametry zwężanego przejścia powinny być dostosowywane przy zmianie grubości podłoża. Inny typ uziemionego falowodu koplanarnego (GCPW) jest również szeroko stosowaną strukturą linii transmisyjnej w systemach wysokiej częstotliwości. Przewodniki boczne blisko pośredniej linii transmisyjnej służą również jako uziemienie. Poprzez dostosowanie szerokości głównego przewodu zasilającego i odstępu do uziemienia bocznego można uzyskać wymaganą impedancję charakterystyczną.

Mikropasek do SIW i GCPW do SIW

Poniższy rysunek przedstawia przykład projektu mikropaskowego do SIW. Zastosowano materiał Rogers3003, stałą dielektryczną 3,0, rzeczywistą wartość strat 0,001, a grubość 0,127 mm. Szerokość kanału na obu końcach wynosi 0,28 mm, co odpowiada szerokości kanału antenowego. Średnica otworu przelotowego wynosi d = 0,4 mm, a odstęp p = 0,6 mm. Rozmiar symulacji wynosi 50 mm * 12 mm * 0,127 mm. Całkowita strata w paśmie przenoszenia wynosi około 1,5 dB (co można dodatkowo zmniejszyć poprzez optymalizację odstępu między szerokimi bokami).