毫米波雷达组件#3

2023-04-07 13:08:43 987

上期介绍的大陆ARS4-B，PCB上加载的EBG结构，由于时间关系没有做详细仿真验证。本期经过仿真，发现如果按照上文大陆ARS4-B雷达天线浅析中的EBG单元尺寸设计，散射参数会有些偏差，将结果仿出来和大家一起讨论，看原是否有其他特殊的设计用意？

回顾一下EBG结构抑制表面波原理：表面波沿着有限大小的导体表面上沿着交汇面传播，当遇到不连续的两种结构和表面时，就容易产生辐射。很多结构都会产生表面波传输，在毫米波雷达领域，PCB表面存在不同的介质层、缺陷地结构以及周期性的结构边缘，都容易产生表面波；因而在使用微带天线时，受到表面波的影响，天线向外辐射的能量会减小，从而导致天线辐射效率降低。若表面波的传播路径没有得到隔断，还会引发散斑效应和多径效应，使得沿主方向辐射的能量分散，这也是天线方位图抖动（产生纹波）的最主要原因。，同时对天线进行组阵设计时，天线单元之间的表面波流动和交互则会引起互耦，拉低天线这件的隔离度、恶化旁瓣电平以及增加交叉极化的强度。

表面波的主要特性是能量会沿着导体或介质的表面流动，而在导体或介质表面的垂直方向上则会随着离表面的距离而以指数速度衰减。表面波与其他电导体辐射出的电磁波一样，对应的电场能够向外传播很远。表面波按波型可以分为两种：即TE模与TM 模。假设结构的阻带中心频率为f0，当f＜f0时， EBG结构表面能够传播TM模表面波，而且传播的TM 模表面波没有截止频率。当f＞f0，EBG结构表面能够传播TE模表面波。而在f=f0的条件下，在 EBG 结构的表面TM模和TE模都无法传播，这也就是表面波的抑止原理，即当处于谐振频率周围时，EBG 结构的表面将使 TM 模和 TE模都无法传播，这个频带就叫做的电磁带隙（Band Gap）。[1]罗群，基于EBG结构的高频和多频天线性能研究[M]. 北京: 北京邮电大学，2013。

1.建模

根据单元结构特性，选择Project template –Microwaves &RF/Optical-Periodic Structure._FSS,Matematerila –Unit cell-dispersion diagram.(Rectangular lattice 90degree)-Engenmode.根据单元尺寸建立模型。

模板选择

单元结构

对Background 选项里对Upper Z Distance做梯度验证，理论上应最小保证四分之一个工作波长。

不同Z distance的仿真结果

根据上图的尺寸，仿真得到的禁带区域为小于50GHz，和天线的工作频段不相符合。见下图

修改单元尺寸，得到不同模式的散射曲线。随着尺寸的减小，单元结构的最低工作模式是往上偏移的。也可以从等效电路上观察，因为电路的谐振频率是反比于√LC的。

Mode1

Mode2

EBG结构及等效电路

优化后的单元结构如下，此时拥有比较宽的电磁禁带。

将结构导入到间距半波长的两个发射天线中，观察隔离度。

天线加载不同EBG结构的隔离度

总结：从仿真结果来看，原始雷达上的单元结构偏大，若用边长为0.95mm的贴片单元，阻带频率范围较低，无法起到76G的信号屏蔽效果。而将尺寸减小到0.48mm，可实现55~90GHz左右的电磁禁带，代入到阵列结构中可实现隔离度的优化。

从本质上来说，EBG结构的用途就是阻断某频段的电磁波传播路径，从而实现阵列性能的提升，对于原设计的单元尺寸是否考虑了高次模的影响尚需验证。

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