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4D雷达中的馈线损耗问题

雷达天线站

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本期将讨论雷达系统中关于天线馈线损耗的问题。

天线损耗主要是由于来自于信号传输过程中因材料、结构、连接等因素引起的信号功率损失。这种损耗通常以分贝（dB）为单位表示，它直接影响无线通信系统的性能。导致天线损耗的主要因素有以下几种：

导电材料损耗：天线制造材料的电导率直接影响信号的传输效率。常见的天线材料包括金属，而金属在通电时会发生一定的电阻，导致功率损耗。这种损耗通常以电阻损耗来表示。

辐射损耗：天线的结构和形状也会影响辐射效率。天线的设计不当或者损坏可能导致信号不完全辐射出去，一部分信号会被吸收或反射，从而引起辐射损耗。

连接器和适配器损耗：天线通常需要通过连接器与其他设备连接，这些连接器和适配器也会引起一定的信号损耗。不同类型的连接器和适配器具有不同的损耗特性。

环境损耗：天线所处的环境条件，如大气湿度、温度等，也可能影响信号的传输效率。例如，湿度较高的环境可能导致一定的信号吸收。

极化损耗：天线的极化与信号的极化不匹配时，会导致一定的损耗。为了最大程度地传输信号，发送和接收天线的极化应该尽可能一致。

图1：不同同轴电缆

而在整个雷达系统中，雷达的探测距离和天线性能息息相关。其中一项关键指标就是收发天线的增益强度。影响阵列增益强度的关键因素例如阵元数量、阵元间距、阵列几何形状和工作环境以外，馈电网络的设计也是重要因素之一，合理的馈电网络可以确保天线阵元之间的相位关系，同时减小能量损耗，以保证雷达的探测性能。

图2：不同雷达的馈电方式

馈线常见类型

不同的天线系统可能采用不同的馈线形式，常见的有同轴电缆（Coaxial Cable）和微带线馈电（Microstrip line）。其中同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体和外绝缘层组成，外导体提供了较好的屏蔽效果，降低了外界电磁干扰的影响。同轴线广泛应用于于各种频率范围的天馈系统设计，相对灵活，易于安装和布线。不过在毫米波频段的线损是非常大的，见图1。微带线馈电适用于集成电路和微波集成电路。轻巧、灵活，适合一些对体积和重量要求较高的应用。不过损耗相对较大，适用于短距离传输。SIW传输线是微带传输线和波导传输线的结合体，不过由于介质依旧存在，因此损耗仍旧比波导传输线要高。

图3：微带馈线和SIW馈线

波导/间隙波导传输线波导适用于高功率和高频率的雷达系统，且损耗相对较低。

图4：常规波导馈线和间隙波导馈线

馈线损耗的内因

从天线本身的设计角度考虑，天线馈线损耗是指信号在从发射设备（如无线电发射机）传输到天线的过程中，由于馈线本身的特性而引起的信号功率损失。馈线损耗通常以分贝（dB）为单位表示，它对整个无线通信系统的性能有着直接的影响。馈线损耗主要由以下几个因素引起：

1. 电导损耗：馈线内部的金属导体通常存在一定的电阻，当电流通过时会产生电阻损耗。这是馈线中最主要的损耗成分之一。电导损耗随着频率的增加而增加，因此在高频率应用中，电导损耗可能会更为显著。

2. 介质损耗：馈线通常由绝缘材料包围，这个绝缘材料也会有一定的损耗，称为介质损耗。介质损耗主要取决于馈线的绝缘材料类型以及频率。在天线中，介质损耗是指由于天线的绝缘材料中存在的电磁波传播过程中导致的信号功率损失。这种损耗是由绝缘材料的电导和磁导性能引起的，主要包括以下几个方面：

A.在板载天线中天线需要附着在介质上，而这些电介质中的分子或离子可能在电场作用下发生振动，产生热量，从而导致电导损耗。这种损耗与电介质的电导率有关，电导率越高，电导损耗越大。电导损耗通常随着频率的增加而增加，因为高频下分子或离子的运动更为频繁。

B.磁导损耗：在一些特殊的情况下，天线的绝缘材料可能表现出磁导性。当电磁波通过这样的材料时，磁导损耗会引起信号功率的损失。这通常与材料的磁导率有关。

3. 介质极化损耗：在变化的电场下，绝缘材料中的分子可能会发生极化。这种极化可能是由于分子的电子在电场中的相对位移引起的。极化损耗与介电常数和介电损耗正相关，因为介电常数越高，分子在电场中的极化越强烈，引起的损耗也就越大。

4. 馈线长度：馈线的长度也会对损耗产生影响，特别是在高频率下。对于某些特定频率，馈线长度的整数倍波长会导致阻抗匹配，减小损耗，而非整数倍波长则可能增加损耗。

图5：不同的微带馈线

上图有三种馈线，第一种是40mm长度，第二种和第三种是70mm长度，同时馈线2和馈线3的差异在于不同的拐角数量。

图6：不同馈线的S参数对比

表面看上去没明显差异，但从上图右下角的损耗结果来看，可以得出的结论是馈线越长损耗高了将近1dB，另外弯折次数过多，也会增加损耗。

天线馈线的设计是无线通信系统中至关重要的一部分，正确的设计可以提高信号传输的效率，降低损耗。大多数情况下天线馈线的阻抗应与天线和其他系统组件的阻抗相匹配，以减小反射损耗。馈线的宽度和天线之间的间隙会影响天线的阻抗、带宽和谐振频率。通过调整这些参数，可以实现所需的阻抗，标准的馈线阻抗为50欧姆或75欧姆。另外不同类型的馈线具有不同的特性，选择适当的馈线类型取决于具体的应用和系统要求。例如在低频段，由于同轴电缆提供了较好的屏蔽性能和灵活性，在大多数情况下是常见的选择。而在毫米波频点，波导由于低损耗和高功率承载能力，则为馈线首选。

除此上面所提几点外，另一个重要的方面是尽量避免馈线弯曲和挤压。弯曲太厉害可能会损害绝缘层，导致信号损失和性能下降。当天线馈线被弯曲或挤压时，导体内部可能会发生形状变化，导致电流分布不均匀。这不仅会增加电阻，还可能导致额外的电磁场耦合和辐射损耗，导致信号功率的损失。与此同时弯曲或挤压可能导致馈线的几何形状变化，从而改变馈线的特性阻抗。阻抗不匹配可能导致信号的反射，增加传输线上的反射损耗，降低系统效率。另外一些影响比如馈线绝缘层的损伤、导体断裂、相位失真等，都会影响整个通信系统的性能。因此在实际设计过程中应选择合适半径的曲线来避免馈线的弯曲损耗。

基于以上提到的几点，接下来是一些仿真验证。

1.不同材料的损耗：在仿真模型中，不同的材料属性，三种材料如PEC、铜和铝同样的馈线长度损耗也不一样。PEC最为理想，铜的导电率比铝的导电率稍微高点，体现在损耗的降低。