Tin tức - Chuyển đổi năng lượng trong ăng-ten radar

Trong các mạch hoặc hệ thống vi sóng, toàn bộ mạch hoặc hệ thống thường bao gồm nhiều thiết bị vi sóng cơ bản như bộ lọc, bộ ghép nối, bộ chia công suất, v.v. Người ta hy vọng rằng thông qua các thiết bị này, có thể truyền tải công suất tín hiệu một cách hiệu quả từ điểm này đến điểm khác với tổn thất tối thiểu;

Trong toàn bộ hệ thống radar trên xe, quá trình chuyển đổi năng lượng chủ yếu bao gồm việc truyền năng lượng từ chip đến đường dẫn trên bo mạch PCB, truyền từ đường dẫn đến thân anten, và bức xạ năng lượng hiệu quả bởi anten. Trong toàn bộ quá trình truyền năng lượng, thiết kế bộ chuyển đổi đóng vai trò quan trọng. Các bộ chuyển đổi trong hệ thống sóng milimét chủ yếu bao gồm chuyển đổi từ vi dải sang ống dẫn sóng tích hợp trên chất nền (SIW), chuyển đổi từ vi dải sang ống dẫn sóng, chuyển đổi từ SIW sang ống dẫn sóng, chuyển đổi từ cáp đồng trục sang ống dẫn sóng, chuyển đổi từ ống dẫn sóng sang ống dẫn sóng và các loại chuyển đổi ống dẫn sóng khác nhau. Bài viết này sẽ tập trung vào thiết kế chuyển đổi SIW băng tần vi mô.

Các loại cấu trúc giao thông khác nhau

Dải vi mạchĐường truyền vi dải (microstrip line) là một trong những cấu trúc dẫn sóng được sử dụng rộng rãi nhất ở tần số vi sóng tương đối thấp. Ưu điểm chính của nó là cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và khả năng tích hợp cao với các linh kiện gắn trên bề mặt. Một đường truyền vi dải điển hình được tạo thành bằng cách sử dụng các dây dẫn trên một mặt của lớp nền điện môi, tạo thành một mặt phẳng nối đất duy nhất ở phía bên kia, với không khí phía trên. Dây dẫn phía trên về cơ bản là một vật liệu dẫn điện (thường là đồng) được tạo hình thành một sợi dây hẹp. Chiều rộng đường truyền, độ dày, hằng số điện môi tương đối và hệ số tổn hao điện môi của chất nền là các thông số quan trọng. Ngoài ra, độ dày của dây dẫn (tức là độ dày lớp mạ kim loại) và độ dẫn điện của dây dẫn cũng rất quan trọng ở tần số cao hơn. Bằng cách xem xét cẩn thận các thông số này và sử dụng đường truyền vi dải làm đơn vị cơ bản cho các thiết bị khác, nhiều thiết bị và linh kiện vi sóng in có thể được thiết kế, chẳng hạn như bộ lọc, bộ ghép nối, bộ chia/kết hợp công suất, bộ trộn, v.v. Tuy nhiên, khi tần số tăng (khi chuyển sang tần số vi sóng tương đối cao), tổn hao truyền dẫn tăng lên và xảy ra bức xạ. Do đó, các ống dẫn sóng rỗng như ống dẫn sóng hình chữ nhật được ưa chuộng hơn vì tổn hao nhỏ hơn ở tần số cao hơn (không có bức xạ). Bên trong ống dẫn sóng thường là không khí. Tuy nhiên, nếu muốn, nó có thể được lấp đầy bằng vật liệu điện môi, làm cho tiết diện nhỏ hơn so với ống dẫn sóng chứa khí. Mặc dù vậy, ống dẫn sóng rỗng thường cồng kềnh, có thể nặng, đặc biệt ở tần số thấp, đòi hỏi quy trình sản xuất phức tạp hơn và tốn kém, đồng thời không thể tích hợp với các cấu trúc in phẳng.

SẢN PHẨM ĂNG TEN MICROSTRIP RFMISO:

RM-MA25527-22, 25.5-27GHz

RM-MA425435-22, 4.25-4.35GHz

Loại còn lại là cấu trúc dẫn hướng lai giữa cấu trúc vi dải và ống dẫn sóng, được gọi là ống dẫn sóng tích hợp trên chất nền (SIW). SIW là một cấu trúc giống ống dẫn sóng tích hợp được chế tạo trên vật liệu điện môi, với các dây dẫn ở trên và dưới và một mảng tuyến tính gồm hai lỗ kim loại tạo thành các thành bên. So với cấu trúc vi dải và ống dẫn sóng, SIW tiết kiệm chi phí, có quy trình sản xuất tương đối dễ dàng và có thể tích hợp với các thiết bị phẳng. Ngoài ra, hiệu suất ở tần số cao tốt hơn so với cấu trúc vi dải và có đặc tính tán xạ của ống dẫn sóng. Như thể hiện trong Hình 1;

Hướng dẫn thiết kế SIW

Ống dẫn sóng tích hợp trên chất nền (SIW) là cấu trúc tích hợp giống ống dẫn sóng được chế tạo bằng cách sử dụng hai hàng lỗ kim loại được nhúng trong chất điện môi, kết nối hai tấm kim loại song song. Các hàng lỗ kim loại tạo thành các thành bên. Cấu trúc này có đặc điểm của đường vi mạch và ống dẫn sóng. Quy trình sản xuất cũng tương tự như các cấu trúc phẳng in khác. Hình dạng SIW điển hình được thể hiện trong Hình 2.1, trong đó chiều rộng (tức là khoảng cách giữa các lỗ theo hướng ngang (as)), đường kính của các lỗ (d) và chiều dài bước (p) được sử dụng để thiết kế cấu trúc SIW. Các thông số hình học quan trọng nhất (được thể hiện trong Hình 2.1) sẽ được giải thích trong phần tiếp theo. Lưu ý rằng chế độ chủ đạo là TE10, giống như ống dẫn sóng hình chữ nhật. Mối quan hệ giữa tần số cắt fc của ống dẫn sóng chứa không khí (AFWG) và ống dẫn sóng chứa chất điện môi (DFWG) với kích thước a và b là điểm đầu tiên trong thiết kế SIW. Đối với ống dẫn sóng chứa không khí, tần số cắt được thể hiện trong công thức dưới đây.

Cấu trúc cơ bản và công thức tính toán của SIW[1]

trong đó c là tốc độ ánh sáng trong không gian tự do, m và n là các chế độ, a là kích thước ống dẫn sóng dài hơn và b là kích thước ống dẫn sóng ngắn hơn. Khi ống dẫn sóng hoạt động ở chế độ TE10, nó có thể được đơn giản hóa thành fc=c/2a; khi ống dẫn sóng được lấp đầy bằng chất điện môi, chiều dài cạnh rộng a được tính bằng ad=a/Sqrt(εr), trong đó εr là hằng số điện môi của môi trường; để SIW hoạt động ở chế độ TE10, khoảng cách lỗ xuyên p, đường kính d và cạnh rộng as phải thỏa mãn công thức ở phía trên bên phải của hình dưới đây, và cũng có các công thức thực nghiệm d<λg và p<2d [2];

trong đó λg là bước sóng của sóng dẫn hướng: Đồng thời, độ dày của chất nền sẽ không ảnh hưởng đến thiết kế kích thước SIW, nhưng nó sẽ ảnh hưởng đến tổn hao của cấu trúc, vì vậy cần xem xét ưu điểm tổn hao thấp của chất nền có độ dày lớn.

Chuyển đổi Microstrip sang SIW
Khi cần kết nối cấu trúc vi dải với SIW, chuyển tiếp vi dải hình nón là một trong những phương pháp chuyển tiếp được ưa chuộng nhất, và chuyển tiếp hình nón thường cung cấp khả năng phối hợp băng thông rộng tốt hơn so với các loại chuyển tiếp in khác. Một cấu trúc chuyển tiếp được thiết kế tốt có độ phản xạ rất thấp, và tổn hao chèn chủ yếu do tổn hao điện môi và dẫn điện gây ra. Việc lựa chọn vật liệu nền và dẫn điện chủ yếu quyết định tổn hao của quá trình chuyển tiếp. Vì độ dày của chất nền hạn chế chiều rộng của đường vi dải, nên các thông số của chuyển tiếp hình nón cần được điều chỉnh khi độ dày của chất nền thay đổi. Một loại ống dẫn sóng đồng phẳng nối đất (GCPW) khác cũng là một cấu trúc đường truyền được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tần số cao. Các dây dẫn bên gần đường truyền trung gian cũng đóng vai trò là mặt đất. Bằng cách điều chỉnh chiều rộng của đường cấp chính và khoảng cách đến mặt đất bên, có thể đạt được trở kháng đặc trưng cần thiết.

Chuyển đổi từ vi dải sang SIW và từ GCPW sang SIW

Hình dưới đây là một ví dụ về thiết kế chuyển đổi từ microstrip sang SIW. Môi trường sử dụng là Rogers3003, hằng số điện môi là 3.0, giá trị tổn hao thực là 0.001 và độ dày là 0.127mm. Chiều rộng của dây dẫn ở cả hai đầu là 0.28mm, phù hợp với chiều rộng của dây dẫn anten. Đường kính lỗ xuyên là d=0.4mm và khoảng cách giữa các lỗ là p=0.6mm. Kích thước mô phỏng là 50mm*12mm*0.127mm. Tổn hao tổng thể trong dải tần thông khoảng 1.5dB (có thể giảm thêm bằng cách tối ưu hóa khoảng cách giữa các lỗ ở cạnh rộng).