Neuigkeiten – Energieumwandlung in Radarantennen

In Mikrowellenschaltungen oder -systemen besteht die gesamte Schaltung oder das gesamte System oft aus vielen grundlegenden Mikrowellenbauteilen wie Filtern, Kopplern, Leistungsteilern usw. Es besteht die Hoffnung, dass es durch diese Bauelemente möglich ist, die Signalleistung effizient und mit minimalen Verlusten von einem Punkt zum anderen zu übertragen;

Im gesamten Fahrzeugradarsystem umfasst die Energieumwandlung im Wesentlichen die Energieübertragung vom Chip zur Zuleitung auf der Leiterplatte, die Übertragung von der Zuleitung zum Antennenkörper und die effiziente Abstrahlung der Energie durch die Antenne. Ein wichtiger Bestandteil des gesamten Energieübertragungsprozesses ist die Auslegung des Wandlers. Die Wandler in Millimeterwellensystemen umfassen hauptsächlich die Umwandlung von Mikrostreifenleitungen in Substrat-integrierte Wellenleiter (SIW), Mikrostreifenleitungen in Wellenleiter, SIW in Wellenleiter, Koaxialkabel in Wellenleiter, Wellenleiter in Wellenleiter sowie verschiedene Arten der Wellenleiterumwandlung. Diese Ausgabe konzentriert sich auf die Auslegung von Mikroband-SIW-Wandlern.

Verschiedene Arten von Transportstrukturen

MikrostreifenMikrostreifenleitungen gehören zu den am weitesten verbreiteten Wellenleiterstrukturen im niedrigen Mikrowellenfrequenzbereich. Ihre Hauptvorteile sind der einfache Aufbau, die geringen Kosten und die hohe Integrationsfähigkeit mit oberflächenmontierbaren Bauteilen. Eine typische Mikrostreifenleitung besteht aus Leitern auf einer Seite eines dielektrischen Substrats, auf dessen anderer Seite sich eine Massefläche befindet, über der sich Luft befindet. Der obere Leiter ist in der Regel ein leitfähiges Material (meist Kupfer) und zu einem dünnen Draht geformt. Linienbreite, Dicke, relative Permittivität und dielektrischer Verlustfaktor des Substrats sind wichtige Parameter. Zusätzlich sind die Dicke des Leiters (d. h. die Metallisierungsdicke) und die Leitfähigkeit des Leiters bei höheren Frequenzen entscheidend. Durch die sorgfältige Berücksichtigung dieser Parameter und die Verwendung von Mikrostreifenleitungen als Basiseinheit für andere Bauelemente lassen sich viele gedruckte Mikrowellenbauelemente und -komponenten wie Filter, Koppler, Leistungsteiler/Kombinierer, Mischer usw. realisieren. Mit steigender Frequenz (im höheren Mikrowellenfrequenzbereich) nehmen jedoch die Übertragungsverluste zu, und es tritt Strahlung auf. Daher werden Hohlleiter wie Rechteckhohlleiter aufgrund der geringeren Verluste bei höheren Frequenzen (keine Strahlung) bevorzugt. Das Innere des Hohlleiters ist üblicherweise mit Luft gefüllt. Bei Bedarf kann es mit dielektrischem Material gefüllt werden, wodurch es einen kleineren Querschnitt als ein gasgefüllter Wellenleiter aufweist. Hohlrohrwellenleiter sind jedoch oft sperrig, insbesondere bei niedrigen Frequenzen schwer, stellen höhere Anforderungen an die Fertigung und sind kostspielig; zudem lassen sie sich nicht in planare gedruckte Strukturen integrieren.

RFMISO-Mikrostreifenantennenprodukte:

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

RM-MA425435-22, 4,25–4,35 GHz

Die andere Struktur ist eine Hybridkonstruktion aus Mikrostreifenstruktur und Wellenleiter, der sogenannte substratintegrierte Wellenleiter (SIW). Ein SIW ist eine integrierte, wellenleiterähnliche Struktur, die auf einem dielektrischen Material gefertigt wird und Leiter auf der Ober- und Unterseite sowie eine lineare Anordnung von zwei Metalldurchkontaktierungen als Seitenwände aufweist. Im Vergleich zu Mikrostreifen- und Wellenleiterstrukturen ist der SIW kostengünstig, relativ einfach herzustellen und mit planaren Bauelementen integrierbar. Darüber hinaus bietet er bei hohen Frequenzen eine bessere Performance als Mikrostreifenstrukturen und weist die Dispersionseigenschaften von Wellenleitern auf. Siehe Abbildung 1;

SIW-Designrichtlinien

Substratintegrierte Wellenleiter (SIWs) sind integrierte, wellenleiterähnliche Strukturen, die durch zwei Reihen von Metalldurchkontaktierungen in einem Dielektrikum zwischen zwei parallelen Metallplatten hergestellt werden. Reihen von Metalldurchkontaktierungen bilden die Seitenwände. Diese Struktur weist die Eigenschaften von Mikrostreifenleitungen und Wellenleitern auf. Der Herstellungsprozess ähnelt dem anderer gedruckter, flacher Strukturen. Eine typische SIW-Geometrie ist in Abbildung 2.1 dargestellt. Die Breite (d. h. der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen in lateraler Richtung (as)), der Durchmesser der Durchkontaktierungen (d) und die Teilungslänge (p) bestimmen die SIW-Struktur. Die wichtigsten geometrischen Parameter (siehe Abbildung 2.1) werden im nächsten Abschnitt erläutert. Der dominante Modus ist, wie beim Rechteckwellenleiter, TE10. Der Zusammenhang zwischen der Grenzfrequenz fc von luftgefüllten Wellenleitern (AFWG) und dielektrisch gefüllten Wellenleitern (DFWG) und den Abmessungen a und b ist der erste Aspekt der SIW-Konstruktion. Für luftgefüllte Wellenleiter ergibt sich die Grenzfrequenz aus der folgenden Formel.

SIW Grundstruktur und Berechnungsformel[1]

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, m und n die Moden, a die Länge des längeren und b die Länge des kürzeren Wellenleiters. Im TE10-Modus vereinfacht sich die Gleichung zu fc = c/2a. Bei dielektrischer Füllung des Wellenleiters berechnet sich die Breitseitenlänge a zu ad = a/√(εr), wobei εr die Dielektrizitätskonstante des Mediums ist. Damit SIW im TE10-Modus arbeitet, müssen der Durchgangslochabstand p, der Durchmesser d und die Breitseitenlänge a die Formel oben rechts in der Abbildung erfüllen. Zusätzlich existieren empirische Formeln mit d < λg und p < 2d [2].

wobei λg die Wellenlänge der geführten Welle ist: Gleichzeitig hat die Dicke des Substrats keinen Einfluss auf die SIW-Größenauslegung, wohl aber auf die Verluste der Struktur. Daher sollten die verlustarmen Vorteile dicker Substrate berücksichtigt werden.

Mikrostreifen-zu-SIW-Umwandlung
Wenn eine Mikrostreifenstruktur mit einem SIW verbunden werden soll, ist der verjüngte Mikrostreifenübergang eine der bevorzugten Übergangsmethoden. Im Vergleich zu anderen gedruckten Übergängen bietet er in der Regel eine Breitbandanpassung. Eine gut ausgelegte Übergangsstruktur weist sehr geringe Reflexionen auf, und die Einfügungsdämpfung wird hauptsächlich durch dielektrische und Leiterverluste verursacht. Die Wahl des Substrat- und Leitermaterials bestimmt maßgeblich die Dämpfung des Übergangs. Da die Substratdicke die Breite der Mikrostreifenleitung begrenzt, müssen die Parameter des verjüngten Übergangs bei einer Änderung der Substratdicke angepasst werden. Ein weiterer Typ ist der geerdete koplanare Wellenleiter (GCPW), eine weit verbreitete Übertragungsleitungsstruktur in Hochfrequenzsystemen. Die Seitenleiter nahe der Zwischenübertragungsleitung dienen ebenfalls als Masse. Durch Anpassen der Breite der Hauptzuleitung und des Abstands zur Seitenmasse lässt sich die erforderliche charakteristische Impedanz erzielen.

Mikrostreifen auf SIW und GCPW auf SIW

Die Abbildung unten zeigt ein Beispiel für die Konstruktion einer Mikrostreifenleitung zu SIW. Als Trägermaterial wird Rogers3003 verwendet. Die Dielektrizitätskonstante beträgt 3,0, der Verlustfaktor 0,001 und die Dicke 0,127 mm. Die Zuleitungsbreite an beiden Enden beträgt 0,28 mm und entspricht damit der Breite der Antennenzuleitung. Der Durchmesser der Durchgangslöcher beträgt d = 0,4 mm, der Abstand p = 0,6 mm. Die Simulationsgröße beträgt 50 mm × 12 mm × 0,127 mm. Der Gesamtverlust im Durchlassbereich liegt bei etwa 1,5 dB (und kann durch Optimierung des Abstands an der breiten Seite weiter reduziert werden).