【技术】影响微带贴片天线性能的因素

时间： 2023-04-28 来源：罗杰斯先进电子解决方案公众号

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微带贴片天线及其阵列可能见得不多但却是应用最广泛的天线形式。它们结构简单，通过介质、介质上层的金属导体贴片以及地平面即可形成。甚至，中间的介质也可以是空气的结构。较为典型的微带贴片天线是制作在印刷电路板(PCB)上，利用影印方法将精细线路结构蚀刻在导电金属层上的。由于PCB材料是微带贴片天线及其天线阵列的重要组成部分，所以在设计微带天线时需认真考虑PCB材料的特性，包括贴片和地面的导电金属铜箔类型。同时，PCB的制造工艺中由于线路公差也会影响微带贴片天线的性能;制造工艺中可能额外增加的PCB的成份(如表面处理镀层)也会影响性能。了解PCB材料如何协同及如何通过制造工艺形成最终设计要求，有助于实现微带贴片天线或阵列的预期设计目的，特别是在毫米波频段。

微带贴片天线的尺寸与频率成反比，频率越高，贴片尺寸越小。由于这种关系，在频率较低时波长较长，微带贴片天线就会因为尺寸过大而不太实用。一般情况下，微带贴片的矩形长度L为工作频率的波长的1/2，即L=~λ/2。当频率低于500MHz时贴片的长度就很大。如频率在100MHz时，谐振是微带贴片长度接近1m，此时就需要很大的PCB尺寸。频率越高，贴片尺寸会越小，特别是对于微波/毫米波频率下的应用与其他电路一起集成到PCB板上则更有意义。当所需天线的增益和方向性高于单个贴片性能时，可设计各种贴片阵列天线。

选择PCB材料进行微带贴片天线的设计时应考虑PCB材料“成份”的影响。材料“成份”包括如介质材料本身、金属铜箔类型、最终表面镀层等对影响天线和电路的性能和特性。例如，介质材料的介电常数可影响贴片的尺寸(波长的~1/2)，介质材料的厚度也影响了天线辐射的电磁(EM)场分布。

微带贴片天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄露，矩形贴片通过的纵向边缘或“L”方向的泄露产生辐射EM场(矩形贴片的宽度方向或“W”方向没有EM场)。PCB的最终表面镀层对于这些从贴片边缘辐射的EM场有很大影响。例如，由于最终表面处理镀层的导电性原因，PCB的最终导体导电特性则会变得很复杂而成为综合的导电特性。举个例子，化学镍金(ENIG)是一种广受欢迎且已经过验证的最终表面处理方式，它是将厚镍与薄金相结合一种表面处理。但是，镍是一种铁磁材料，一方面在对铜箔导体保护时也会有磁损耗;另一方面它的导电性仅是铜的1/4，特别是在频率较高时会增加电路的导体损耗且影响电路相位响应。在微带贴片天线上，ENIG的特性当然也会影响微带贴片天线产生的场强，特别是在较高的微波和毫米波频率时影响更为明显。

选择PCB导体表面处理是微带贴片天线中需要考虑的一个因素，因为表面镀层改变了贴片边缘处的导体损耗。对于ENIG，其导体边缘的导电性是由不同比例的铜、金和镍共同组成。还有其他许多PCB最终表面镀层可以通过化学沉浸工艺完成的，如化学沉锡或化学沉银。这种工艺所得镀层厚度极薄，似乎在整个电路上的厚度变化不太明显，但对于小波长信号的高频毫米波的影响也不可忽略。

可制造设计

高性能的微带贴片天线需要高精度制造工艺和高级别电路材料共同完成。虽然微带天线在较低频率下不太合适，但在较高的毫米波频率下使用是非常有吸引力的，如果天线的设计可以得到制造工艺的支持，则能在可行成本内生产出可重复的硬件。在毫米波频率下的贴片的尺寸非常小，如77GHz汽车雷达传感器的贴片天线，在此高频率和小波长条件下，材料属性的变化以及制造工艺的变化，都会对天线性能造成影响并可能发生不可接受的偏差。因此，微带贴片天线的设计不仅须考虑PCB材料的特性，还须考虑制造工艺的限制和瓶颈。

例如，理想的微带贴片的导体转角是90度直角，但是在加工中，按照设计参数将铜箔导体蚀刻成微带贴片时，一般会形成圆角。半径为2~5mils的圆角在较低频率下影响很小，但半径为3mils的圆角在毫米波频率下则会影响信号波长，从而可能会导致电磁场分布变化及微带贴片天线的辐射方向变化。虽然可利用计算机辅助设计软件(CAD)模拟对2~5mils的圆角带来的影响，但是如果制造的天线的公差与CAD工具中所述的不同，那么所模拟的性能可能也与实际性能不一致。

在77GHz等毫米波频率下，电路材料质量和制造工艺需要确保最小的变化而不给微带贴片的性能带来影响。其中之一是电路节点和互连处(如微带贴片的馈线)必须达到高度阻抗匹配(一般为50Ω)，以最小化节点处信号反射而避免电磁辐射造成能量的损失。另外，对于77GHz雷达的串馈贴片天线，通常包含多个不同的导体宽度，由于贴片天线本身的尺寸较小，导体宽度的微小变化就会显著影响天线性能。蚀刻线宽公差为±0.5mil的PCB加工能力值得推荐，但是毫米波频率下可能会对这种工艺的精度和准确度提出更高要求。当标称导体宽度是4~5mils时，±0.5mil(总共1mil)的变化可能意味着电路尺寸和性能可能发生20%或以上的变化。

了解导体和介质材料对微带贴片天线及其阵列辐射的影响，有助于预测某特定频率下的天线的增益和方向性。但是任何PCB制造工艺还必须尽可能严格控制精度以得到精细的贴片及其相关电路，否则该预测也会出现偏差。通过衡量和考虑到材料性能和制造工艺的变化，就能重复地、高效益地生产出高质量、批量的毫米波频段下的微带贴片天线和天线阵列。

任何微带贴片天线或PCB的任意高频材料，即使是性能好、可靠性高的罗杰斯的电路材料，都需要有能利用现代制造工艺进行批量生产的实用设计。虽然优质材料有助于实现高性能，但是它们也要经正确、高效地装配成为最终组件并形成实用的解决方案。为了帮助电路、部件、装置和系统设计人员更好地将高性能电路材料用于高频模拟、高速数据(HSD)和混合信号电路，罗杰斯公司正在编写一本有关这些应用的电路材料特性，以及如何以最好地将材料转化为实用的部件和电路解决方案(如微带贴片天线、天线阵列)的技术应用电子白皮书。该电子白皮书将探索适用于商业、工业、医学及其他高可靠等行业使用的电路材料，并为选择正确的材料提供建议和“制造设计”指南，以将此类材料转变为毫米波频率及其它频率下实用的产品解决方案。

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