Расчётные параметры

Настройте центральную частоту и полосу частот. Скорость света принята равной скорости вакуума.

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

Создайте массив 2 X 4

Шаблон гипотетического элемента

Антенная решетка FMCW предназначена для прямой радиолокационной системы, предназначенной для поиска и предотвращения столкновения. Поэтому начните с гипотетического антенного элемента, который имеет значительное покрытие шаблона в одном полушарии. Антенный элемент косинуса будет подходящим выбором.

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

Идеальный шаблон массива

Сам массив должен быть установлен на передний бампер или вокруг него. Строение массива, которую мы исследуем, аналогично конфигурации, упомянутой 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 закрашенная фигура

Antenna Toolbox™ имеет несколько антенных элементов, которые могли бы обеспечить полусферический охват. Выберите антенный элемент закрашенная фигура и спроектируйте его с интересующей вас частотой. Длина закрашенной фигуры составляет примерно половину длины волны на 77 ГГц, а ширина в 1,5 раза больше длины для улучшения полосы пропускания.

patchElement = design(patchMicrostrip, fc);

Поскольку геометрия антенны закрашенной фигуры по умолчанию в библиотеке Antenna Toolbox имеет максимальное излучение, направленное в сторону зенита, поверните закрашенную фигуру антенну на 90 степени вокруг оси Y, чтобы максимум теперь произошел вдоль оси X. Это также направление boresight для массивов в Phased Array System Toolbox.

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

Изолированная закрашенная фигура 3D шаблоном и резонансом

3D направленности Шаблона

Постройте график шаблона закрашенная фигура на 77 ГГц. Закрашенная фигура представляет собой антенну среднего усиления с пиковой направленностью около 6 - 9 дБи.

pattern(patchElement,fc)

Резонанс

Закрашенная фигура излучается в правильном режиме с максимальным шаблоном при азимуте = повышению = 0 степени. Поскольку начальные размеры являются приближением, проверяйте поведение входа входного сопротивления.

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

Установление полосы пропускания

Постройте график коэффициента отражения закрашенной фигуры, чтобы подтвердить хорошее соответствие импеданса. Типично учитывать значение $$S_{11}=-10dB$$ как порог значение 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 на 77 ГГц указывает на хороший матч до 50. Шумовая полоса антенны немного больше 1 ГГц. Таким образом, частотная полоса составляет от 76,5 ГГц до 77,5 ГГц.

Подтверждение шаблона на центральных и угловых частотах

Подтвердите, что шаблон на угловых частотах полосы данных остается почти неизменным. Шаблон графиков на частотах 76,5 ГГц и 77,6 ГГц показан ниже.

Это хорошая практика, чтобы проверить поведение шаблона в интересующей полосе частот в целом.

Создайте массив из изолированных Излучателей и постройте график Шаблона

Создайте равномерный прямоугольный массив (URA), но на этот раз используйте изолированную закрашенной фигурой антенну в качестве отдельного элемента. Мы выбираем интервалы $$\lambda /2$$ 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 шаблона для закрашенной фигуры антенной решетки. Задайте разделение 5 степеней по азимуту и повышению, чтобы построить график 3D.

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

Изменение шаблона графика в двух ортогональных плоскостях

Сравните изменение шаблона в 2 ортогональных плоскостях для закрашенной фигуры антенной решетки и массива косинусоидного элемента. Оба массива игнорируют взаимную связь.

[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

Массив элементов косинуса и массив, сконструированный из изолированных закрашенная фигура, обе без взаимной связи, имеют сходное поведение шаблона вокруг основного луча в плоскости повышения (азимут = 0 o). Массив патч-элемента имеет значительную заднюю лепестку по сравнению с массивом косинус-элемент. Использование изолированной закрашенной фигуры является полезным первым шагом в понимании эффекта, который реалистичный антенный элемент оказал бы на шаблон массива. Однако в реалистичном анализе массива должно быть рассмотрено взаимное связывание. Поскольку это небольшой массив (8 элементов в строении 2 X 4), отдельные шаблоны элементов в среде массива могут быть значительно искажены. В результате невозможно заменить шаблон изолированного элемента на шаблон встроенного элемента. Полный волновой анализ должен быть выполнен, чтобы понять эффект взаимной связи на эффективность массива.

См. также

Закрашенная фигура на диэлектрической подложке

Эффект взаимной связи на коммуникацию MIMO

Ссылка

[1] Kulke, R., S. Holzwarth, J. Kassner, A. Lauer, M. Rittweger, P. Uhlig и P. Weigand. Radar Sensor 24 ГГц интегрирует Patch Antenna и Frontend Module в одну многослойную подложку LTCC. (2005).