Расчетные параметры

Настройте центральную частоту и полосу частот. Предполагается, что скорость света соответствует скорости вакуума.

fc = 77e9;
fmin = 73e9;
fmax = 80e9;
vp = physconst('lightspeed');
lambda = vp/fc;

Создать массив 2 X 4

Образец гипотетического элемента

Антенная решетка FMCW предназначена для системы РЛС прямого действия, предназначенной для поиска и предотвращения столкновения. Поэтому начните с гипотетического антенного элемента, который имеет значительное покрытие диаграммы направленности в одном полушарии. Элемент косинусной антенны был бы подходящим выбором.

cosineElement = phased.CosineAntennaElement;
cosineElement.FrequencyRange = [fmin fmax];
cosinePattern = figure;
pattern(cosineElement,fc)

Идеальный шаблон массива

Сам массив должен быть установлен на переднем бампере или вокруг него. Рассматриваемая конфигурация массива аналогична конфигурации, указанной в [1], т.е. прямоугольный массив 2 X 4.

Nrow = 2;
Ncol = 4;
fmcwCosineArray = phased.URA;
fmcwCosineArray.Element = cosineElement;
fmcwCosineArray.Size = [Nrow Ncol];
fmcwCosineArray.ElementSpacing = [0.5*lambda 0.5*lambda];
cosineArrayPattern = figure;
pattern(fmcwCosineArray,fc);

Проектирование реалистичной патч-антенны

Антенный Toolbox™ имеет несколько антенных элементов, которые могут обеспечивать полусферическое покрытие. Выберите элемент патч-антенны и спроектируйте его на интересующей частоте. Длина участка составляет приблизительно половину длины волны при 77 ГГц, а ширина в 1,5 раза больше длины для улучшения ширины полосы пропускания.

patchElement = design(patchMicrostrip, fc);

Так как геометрия патч-антенны по умолчанию в библиотеке Antenna Toolbox имеет максимальное излучение, направленное к зениту, поверните патч-антенну на 90 градусов вокруг оси Y, чтобы теперь максимум имел место вдоль оси X. Это также направление визирования для массивов в панели инструментов системы фазированных массивов.

patchElement.Tilt = 90;
patchElement.TiltAxis = [0 1 0];
figure
show(patchElement)
axis tight
view(140,20)

3D и резонанс изолированной патч-антенны

3D Шаблон направленности

Постройте график патч-антенны на частоте 77 ГГц. Патч представляет собой антенну со средним коэффициентом усиления с пиковой направленностью около 6-9 дБи.

pattern(patchElement,fc)

Резонанс

Участок излучается в правильном режиме с максимумом узора на азимуте = отметка = 0 градусов. Поскольку начальные размеры являются аппроксимацией, проверьте поведение входного импеданса.

Numfreqs = 21;
freqsweep = unique([linspace(fmin,fmax,Numfreqs) fc]);
impedance(patchElement,freqsweep);

Установка пропускной способности

Постройте график коэффициента отражения сегмента для подтверждения хорошего соответствия импеданса. Типично рассматривать значение $${}_{\mathrm{}\mathrm{S11}}=\mathrm{}\mathrm{-}$$10 дБ в качестве порогового значения для определения полосы пропускания антенны.

s = sparameters(patchElement,freqsweep);
figure
rfplot(s,'m-.')
hold on
line(freqsweep/1e09,ones(1,numel(freqsweep))*-10,'LineWidth',1.5)
hold off

Глубокий минимум при 77 ГГц говорит о хорошем совпадении с 50. Полоса пропускания антенны немного больше 1 ГГц. Таким образом, полоса частот составляет от 76,5 ГГц до 77,5 ГГц.

Подтверждение шаблона на центральной и угловой частотах

Убедитесь, что шаблон на угловых частотах полосы остается почти таким же. Рисунки с частотой 76,5 ГГц и 77,6 ГГц показаны ниже.

Рекомендуется проверять поведение шаблона в полосе частот, представляющей интерес, в целом.

Создание массива из изолированных излучателей и шаблона печати

Создайте однородную прямоугольную решетку (URA), но на этот раз используйте изолированную патч-антенну в качестве отдельного элемента. Выбираем интервал $$\mathrm{\lambda /2}$$ на верхней частоте полосы, т.е. 77,6 ГГц.

fc2 = 77.6e9;
lambda_fc2 = vp/77.6e9;
fmcwPatchArray = phased.URA;
fmcwPatchArray.Element = patchElement;
fmcwPatchArray.Size = [Nrow Ncol];
fmcwPatchArray.ElementSpacing = [0.5*lambda_fc2 0.5*lambda_fc2];

Постройте график для распределительной антенной решетки, построенной таким образом. Задайте 5-градусное разделение по азимуту и отметке для печати образца 3D.

az = -180:5:180;
el = -90:5:90;
patchArrayPattern = figure;
pattern(fmcwPatchArray,fc,az,el);

Изменение шаблона печати в двух ортогональных плоскостях

Сравните изменение диаграммы направленности в 2 ортогональных плоскостях для патч-антенной решетки и косинусной элементной решетки. Оба массива игнорируют взаимное соединение.

[Dcosine_az_zero,~,eln] = pattern(fmcwCosineArray,fc,0,el);
[Dcosine_el_zero,azn] =  pattern(fmcwCosineArray,fc,az,0);
[Dpatch_az_zero,~,elp] = pattern(fmcwPatchArray,fc,0,el);
[Dpatch_el_zero,azp] =  pattern(fmcwPatchArray,fc,az,0);

elPattern = figure;
plot(eln,Dcosine_az_zero,eln,Dpatch_az_zero,'LineWidth',1.5)
axis([min(eln) max(eln) -40 17])
grid on
xlabel('Elevation (deg.)')
ylabel('Directivity (dBi)')
title('Array Directivity Variation-Azimuth = 0 deg.')
legend('Cosine element','Patch Antenna','Location','best')

azPattern = figure;
plot(azn,Dcosine_el_zero,azn,Dpatch_el_zero,'LineWidth',1.5)
axis([min(azn) max(azn) -40 17])
grid on
xlabel('Azimuth (deg.)')
ylabel('Directivity (dBi)')
title('Array Directivity Variation-Elevation  = 0 deg.')
legend('Cosine element','Patch Antenna','Location','best')

Обсуждение

Матрица косинусных элементов и матрица, построенная из изолированных патч-антенн, обе без взаимной связи, имеют одинаковую структуру поведения вокруг основного луча в плоскости возвышения (азимут = 0 °). Массив патч-элементов имеет значительный задний лепесток по сравнению с массивом косинусных элементов. Использование изолированного патч-элемента является полезным первым шагом в понимании влияния, которое реалистичный антенный элемент оказал бы на диаграмму направленности решетки. Однако при анализе реалистичной матрицы необходимо учитывать взаимное соединение. Поскольку это небольшой массив (8 элементов в конфигурации 2 X 4), отдельные шаблоны элементов в среде массива могут быть значительно искажены. В результате невозможно заменить шаблон изолированного элемента встроенным шаблоном элемента. Для понимания влияния взаимной связи на общую производительность массива необходимо выполнить полноволновый анализ.

См. также

Патч-антенна на диэлектрической подложке

Влияние взаимной связи на связь MIMO

Ссылка

[1] Кульке, Р., С. Хольцварт, Дж. Касснер, А. Лауэр, М. Риттвегер, П. Ухлиг и П. Вейганд. «Радиолокационный датчик 24 ГГц интегрирует патч-антенну и фронтэнд-модуль в одну многослойную подложку LTCC». (2005).