Проектирование миллиметровой антенны объединяет апертуру, потери, материалы, допуски, сканирование, тепло и измерения. Строго миллиметровый диапазон соответствует 30–300 GHz, но некоторые приложения называют mmWave и область 28 GHz. Начните с точных рабочих частот.
1. Апертура и покрытие
Короткая волна позволяет разместить больше элементов на одной площади. Однако уменьшение всей апертуры не сохраняет автоматически высокий коэффициент усиления. G ≈ 4πηA/λ² разделяет площадь и эффективность апертуры.
На 28 GHz свободная длина волны около 10,7 mm. Размер патча зависит также от подложки, эффективной проницаемости и краевых полей. Поле не заканчивается точно на металлической кромке.
Уменьшение патча с 5 до 3 mm не обязательно меняет усиление с 8 до 4 dBi. Сравнивайте полосу, эффективность и направление в одинаковых условиях.
2. Свободное пространство и атмосфера
Потери свободного пространства приблизительно равны 92,45 + 20 log10(f/GHz) + 20 log10(r/km) dB. При 28 GHz и 100 m получается около 101,4 dB.
Зависимость от расстояния логарифмическая, а не постоянный коэффициент dB/km. Газы и дождь добавляют свои потери. Нельзя использовать один атмосферный коэффициент для 28 и 60 GHz.
3. Подложка и соединения
Относительная проницаемость εr и фактор потерь — разные свойства. Нужны данные по частоте, направлению, температуре и производственному разбросу. В модель входят шероховатость меди, поверхности, клеи и обтекатель.
SIW создаёт направляющую структуру в подложке, но не устраняет все поверхностные волны и диэлектрические потери. Более толстая подложка патча может расширить полосу и одновременно усилить другие эффекты поля и питания.
Название материала не гарантирует фиксированный КПД или малое тепловое расширение во всех направлениях.
4. Допуски по чувствительности
Не каждой плате необходимы ±5 μm и лазерная обработка. Варьируйте линии, щели, отверстия, положение и толщину, определяя чувствительные размеры и возможности процесса.
На 60 GHz в свободном пространстве разность хода 0,1 mm соответствует примерно 7,2°. Для линии на подложке используйте её постоянную распространения. Это не единый допуск всех размеров.
5. Сканирование и beam squint
Проверяйте диаграмму элемента, шаг и взаимную связь по частоте и углу. Чтобы избежать дифракционных лепестков, шаг не обязан быть не меньше λ/2: слишком большой шаг как раз способен создать проблему.
Для простой равномерной одномерной решётки оценка граничного шага d = λ/(1+|sin θmax|). При ±60° это примерно 0,536λ. Нужны запас, проверка самой короткой волны и реальной геометрии.
Фиксированные фазовые сдвиги могут менять направление с частотой. Истинная временная задержка — возможное решение с ограничениями диапазона задержки, разрешения и потерь. Амплитудное взвешивание для боковых лепестков меняет и главный луч.
6. Нагрев и корпус
Электроника создаёт температурные градиенты и меняет размеры и фазы. Малые диэлектрические потери не означают малого коэффициента расширения в каждом направлении.
Линзы и 3D-печатные структуры не устраняют автоматически все ошибки каналов. Геометрическое улучшение и калибровка — разные задачи; учитывайте материал, изготовление и сборку.
7. Проверка окончательного состояния
VNA измеряет согласование и передачу на заданных портах. Усиление, диаграмма и поляризация требуют излучательных испытаний. В ближнем поле важны зонд и преобразование, в дальнем — расстояние и отражения.
Измеряйте середину и края полосы, нужные углы и температуры. Документируйте плоскости, кабели, обтекатель, программную версию и границы переноса результатов на другие условия.
Для атмосферы используйте ITU-R P.676 и P.838, для решётки — принципы дифракционных лепестков. Подтверждайте улучшение на реальном проекте.
