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Antenna Radome

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前半部分是一些比较实用的材料特性选择和天线罩间距、壁厚的理论设计值。后半部分是介电常数和损耗正切值的物理含义以及一些工程上是如何处理干扰的。                                                   

雷达雷达天线罩是一种电磁透明的保护罩,用于包围毫米波雷达传感器和天线。它提供结构性防风雨外壳,保护毫米波天线和电子设备免受雨、阳光、风等外部环境影响。雷达天线罩对天线发送或接收的电磁信号的衰减极小,因此对无线电波而言是“透明”的。

根据特定终端设备的需求,雷达天线罩可以构造成多种形状,例如平面、球形和测地线,这些形状会对雷达传感器的辐射方向图或视场和最大可实现距离产生一定的影响。对雷达天线罩材料的选择(例如玻璃纤维、PTFE 涂层织物和聚碳酸酯)通常取决于在目标应用环境下的用途。

下表是常用的雷达天线罩材料,值得注意的是每个厂家的材料生产会有所不同,介电常数会因材料密度,混合材料和材料形状相关。设计前需向供应商索取相应的材料DateSheet(Dk,Df,以及相应Dk,Df的测试频率)。

表1:雷达天线罩常用材料

壁厚设计值为介质波长除以2的整数倍。雷达天线罩在预期的毫米波频率范围内变得“几乎透明”。

天线与雷达天线罩内表面之间的最佳距离有助于最大限度地降低雷达天线罩造成的反射影响。如果返回到天线的波与透射波同相,设置为空气中自由波长除以2的整数倍可以减少影响。

不同频率入射波的雷达天线罩最佳厚度与介电常数之间的关系

不同电介质的雷达天线罩最佳厚度与频率之间的关系

上面两个表是根据公式算出来的不同频率入射波的雷达天线罩最佳厚度与介电常数之间的关系以及不同电介质的雷达天线罩最佳厚度与频率之间的关系。可以根据雷达的工作频率选择合适的天线罩材料。例如常规76G车规级雷达,当所选材料的介电常数分别为2.0、2.9和5.75时,此时天线罩厚度理论值分别为1.4mm、1.16mm和0.82mm(基于n=1,n的选择很大程度上依赖雷达的工作环境,对结构强度和鲁棒性要求)。提供理论值后,再用仿真软件进行参数优化。

如果一种材料在施加外部电场时,具有储存能量的能力,则该材料就是一种“电介质”。如果将直流电压源放置在平行板电容器两端,则当介电材料位于两个极板之间时,与极板之间没有材料(真空)时相比,会存储更多的电荷。介电材料通过中和电极处的电荷来增加电容器的存储容量,因此通常会对外部场产生影响。

直流平行板电容

交流平行板电容

其中C是有介质的电容,C0是没有介质的电容,κ' =ε'r是实际介电常数。A和t是电容器板的面积和平行板的距离。如果采用交流电,则产生的电流将由充电电流Ic和与介电常数相关的损耗电流Il组成,材料中的损耗可以表示为与电容器C并联的电导G。

因此介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。

从电磁学角度来说,电位移(电通量密度)Df 的定义为:

Df = ε E,ε = ε* = εεr

ε是相对介电常数,ε是真空中的介电常数,E是电场强度。 介电常数的实部 (εr') 是衡量材料中存储了多少来自外部电场的能量的量度。介电常数的虚部 (ε'') 称为损耗因数,用于衡量材料对外部电场的耗散或损耗程(材料与微波的耦合能力,损耗正切值越大,材料与微波的耦合能力就越强)。介电常数的虚部 (εr”) 总是大于零,通常远小于 (εr’)。

损耗因子包括介电损耗和电导率的影响。当复介电常数的图形如下所示,实部和虚部的相位相差90°,材料的损耗值为相应周期内,损失的能量和存储的能量之比。损耗正切角或者tan δ定义为介电常数的虚部与实部之比。D为损耗因子,Q是品质因数。

损耗因子含义

当电磁波从自由空间以光速通过介质材料时,会存在入射波、反射波和透射波(由于材料中的波阻抗和自由空间的波阻抗不再相等,因此会存在发射波)。根据自由空间波长和介质内的波长关系,介质材料中的波长会短于自由空间中的波长,由于损耗因子的存在,因此会存在衰减和插入损耗。
介电常数 代表材料对电磁波的反射和折射特性。
介电损耗量化了电介质材料固有的电磁能耗散

波在介质中的传输

总的来说,天线罩材料由于存在反射和介质衰减,所以会吸收部分天线的辐射能量。其次,由于电磁波从自由空间入射到天线罩,可能会使得电磁波传播方向的改变,导致FOV的改变。除此之外,天线罩表面的反射波回流至PCB板,形成表面波传播,造成干扰。

为减小天线罩带来的反射波重新进入雷达系统,可以通过使用吸波材料,吸收某些方向的反射波。

雷达侧视图

从上图可以看出,雷达系统的干扰源主要有以下几个方面:
A. 信号通过天线主瓣和旁瓣发射出去时,在天线罩表面形成不规则反射,影响接收天线的信号。
B. 屏蔽盖内MMIC本身产生杂波并四处反射,对MMIC内部电路造成干扰。
因此在雷达设计时,应首先在芯片端增加屏蔽罩,屏蔽对天线的电磁干扰,另外在屏蔽罩内表面增加吸波材料,吸收MMIC本身发出的杂波改善屏蔽罩内的信噪比。
另外在屏蔽罩和天线罩中间区域增加吸波材料,通过吸收外部进来的杂波以及内部发射杂波改善雷达性能。

来源:雷达天线站
电路电子芯片电场参数优化理论材料
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首次发布时间:2023-06-06
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雷达天线站
硕士 专注天线仿真和设计
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