下图是TI的4T4R天线馈线管脚布局,为保证良好性能,需要将Tx和Rx的走线的阻抗保证在50Ω±10%范围内。因此使用的第1层的共面波导(相对于第2层的地)来控制馈线的阻抗匹配。除此之外,Tx1/2/3/4和Rx1/2/3/4的馈线长度尽可能保持等长,同时避免直角或小于90度的尖锐弯曲走线,可以减小相位误差。
那么在做馈线阻抗匹配的时候,馈线线宽w和线距G以及埋孔位置如何确定?可以通过仿真方法来进一步确认。
共面传输线结构
Step 1:因馈线阻抗和应用频率、介质板厚度、介电常数、线宽线距等因素相关。结合目前车载应用频点,采用罗杰斯4830材料,介电常数为3.2,厚度0.127mm。仿真软件自带的Impedance calculation,计算得到馈线宽度0.308mm;,点击Build 3D,并输入电长度,76G毫米波开发板的馈线线长在10-20mm之间,为方便验证和模拟实际情况,取l=15mm,并加大介质板面积,建立模型。仿真60G-80G带宽,理想状态下的插损小于2dB;
Impedance calculation
Step2:进一步考虑能量泄露、串扰以及失配的问题。常规加工的PCB埋孔直径为5.9mil(0.15mm);定义如下图的几个参数,埋孔横向间距d1,埋孔纵向间距d2,第一层波导边缘距离传输线的间距d3以及埋孔距离第一层波导边缘的距离d4;
参数优化模型
在不考虑上层地接地的情况下,当间距d3为观测频段的半波长时,S11趋于稳定,插损和没有悬浮地的情形接近。但由于耦合效应导致频率存在一定量的偏移;因此,共面传输结构的layer1和layer2需要连通。
不同间距d3的S21
B. 第一层波导边缘距离传输线的间距d3
此时埋孔的间距d1=0.2mm=d2,保证较小的能量泄漏(从后面的仿真结果可以看出,对阻抗影响较为关键的是靠近馈线的第一排埋孔)。
S21
不同d1下的S11
不同d2下的S21
E:埋孔距离第一层波导边缘的距离d4
d4的尺寸大于0.5mm时,出现部分频点阻抗失配,性能下降。综合频偏及插损,建议间距d4保持和馈线线宽一致。
最后一些验证:根据实际雷达板的布局,选择几组数据进行仿真,d2=d3=d4,分别为0.1mm,0.2mm、0.3mm和0.4mm时的性能;红色曲线为没有加表层地的S参数,其余为不同间距下的参数;
总体来看
1.外加表面地需整体仿真,考虑引入的衰减及损耗。实际上毫米波雷达板载天线板的第一层地通常都是和天线面一起的,前期着重考虑接地和信号回路的设计。
2.考虑实际性能,加工误差,供应商加工能力及成本,建议间距设置d3和埋孔距离边缘的距离d4为馈线宽度w±0.1mm。基于此仿真结论,我们将在后续项目中给出验证结果。