Проектирование антенной решетки

Антенная решетка FMCW предназначена для системы РЛС прямого действия, предназначенной для поиска и предотвращения столкновения. Следовательно, косинусная диаграмма направленности антенны является подходящим выбором для первоначальной конструкции, поскольку она не излучает какую-либо энергию назад. Предположим, что радиолокационная система работает на частоте 77 ГГц с полосой пропускания 700 МГц.

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

cosineantenna = phased.CosineAntennaElement;
cosineantenna.FrequencyRange = [fmin fmax];
pattern(cosineantenna,fc)

Сам массив должен быть установлен на переднем бампере или вокруг него. Рассматриваемая конфигурация массива представляет собой прямоугольный массив 2 X 4, аналогичный описанному в [1]. Такая конструкция имеет большую апертуру вдоль направления азимута, обеспечивая, таким образом, лучшее разрешение азимута.

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

Проектирование реалистичной патч-антенны

Antenna Toolbox имеет несколько антенных элементов, которые могут обеспечивать полусферическое покрытие и напоминать рисунок косинусной формы. Выберите элемент патч-антенны с типовыми размерами излучателя. Длина участка составляет приблизительно половину длины волны при 77 ГГц, а ширина в 1,5 раза больше длины для улучшения полосы пропускания. Плоскость заземления расположена с каждой стороны, а смещение подачи от центра в направлении длины участка составляет примерно четверть длины.

patchElement = design(patchMicrostrip,fc);

Так как геометрия патч-антенны по умолчанию имеет максимальное излучение, направленное к зениту, поверните патч-антенну на 90 градусов вокруг оси Y так, чтобы максимум теперь имел место вдоль оси X.

patchElement.Tilt = 90;
patchElement.TiltAxis = [0 1 0];

3D и резонанс изолированной патч-антенны

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

myFigure = gcf;
myFigure.Color = 'w';
pattern(patchElement,fc)

Фрагмент излучается в правильном режиме с максимумом массива при 0 градусах по азимуту и 0 градусах по отметке. Поскольку начальные размеры являются аппроксимациями, важно проверить поведение входного импеданса антенны.

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

Согласно фигуре, пятачная антенна имеет свой первый резонанс (параллельный резонанс) на частоте 74 ГГц. Обычной практикой является сдвиг этого резонанса до 77 ГГц путем масштабирования длины пластыря.

act_resonance = 74e9;
lambda_act = vp/act_resonance;
scale = lambda/lambda_act;
patchElement.Length = scale*patchElement.Length;

Далее следует проверить коэффициент отражения патч-антенны для подтверждения хорошего соответствия импеданса. Типично рассматривать значение как пороговое значение для определения полосы пропускания антенны.

s = sparameters(patchElement,freqsweep);
rfplot(s,'m-.')
hold on
line(freqsweep/1e9,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.

Наконец, проверьте, соответствует ли структура на граничных частотах полосы конструкции. Это хороший признак того, ведет ли шаблон себя одинаково по всему диапазону. Паттерны при 76,5 ГГц и 77,6 ГГц показаны ниже.

pattern(patchElement,76.5e9)

pattern(patchElement,77.6e9)

В общем, это является хорошей практикой для проверки поведения шаблона в интересующей полосе частот.

Создание массива из изолированных излучателей и шаблона печати

Далее создается однородная прямоугольная решетка (URA) с патч-антенной. Интервал выбирается равным, где - длина волны на верхней частоте полосы (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];

На следующем рисунке показана схема результирующей патч-антенной решетки. Образец вычисляется с использованием 5-градусного разделения как по азимуту, так и по отметке.

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

Графики ниже сравнивают изменение диаграммы направленности в 2 ортогональных плоскостях для патч-антенной решетки и косинусной элементной решетки. Обратите внимание, что оба массива игнорируют эффект взаимного соединения.

Сначала постройте графики по азимутальному направлению.

patternAzimuth(fmcwPatchArray,fc)
hold on
patternAzimuth(fmcwCosineArray,fc)
p = polarpattern('gco');
p.LegendLabels = {'Patch','Cosine'};

Затем нанесите на график образцы вдоль направления фасада.

clf
patternElevation(fmcwPatchArray,fc)
hold on
patternElevation(fmcwCosineArray,fc)
p = polarpattern('gco');
p.LegendLabels = {'Patch','Cosine'};

На рисунках показано, что оба массива имеют одинаковое поведение вокруг главной балки в плоскости возвышения (азимут = 0 °). Массив патч-элементов имеет значительное обратное смещение по сравнению с массивом косинусных элементов.

Заключения

В этом примере начинается проектирование антенной решетки для FMCW-радара с идеальной косинусной антенной, а затем для формирования реальной решетки используется патч-антенна. В примере сравниваются шаблоны из двух массивов, чтобы показать компромисс конструкции. Из сравнения можно видеть, что использование изолированного накладного элемента является полезным первым шагом в понимании влияния, которое реалистичный антенный элемент оказал бы на диаграмму направленности решетки.

Однако анализ реалистичных матриц также должен учитывать эффект взаимной связи. Поскольку это небольшой массив (8 элементов в конфигурации 2x4), отдельные шаблоны элементов в среде массива могут быть значительно искажены. В результате невозможно заменить шаблон изолированного элемента шаблоном встроенного элемента, как показано в примере «Моделирование взаимного соединения в больших массивах с использованием шаблона встроенного элемента». Для понимания влияния взаимной связи на общую производительность массива необходимо выполнить полноволновый анализ.

Ссылка

[1] Р. Калк, и др. Радиолокационный датчик 24 ГГц интегрирует патч-антенны, EMPC 2005 http://empire.de/main/Empire/pdf/publications/2005/26-doc-empc2005.pdf