Проект антенной решетки

Антенная решетка FMCW предназначена для прямой радиолокационной системы, предназначенной для поиска и предотвращения столкновения. Поэтому косинусоидный шаблон антенны является подходящим выбором для исходного проекта, поскольку он не излучает никакую энергию назад. Предположим, что радиолокационная система работает на 77 ГГц с пропускной способностью 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 передний бампер или вокруг него. Исследуемое строение массива является прямоугольным массивом 2 X 4, подобным тому, что упоминается в [1]. Такой проект имеет большую апертуру вдоль азимутального направления, что обеспечивает 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 закрашенная фигура

Antenna Toolbox имеет несколько антенных элементов, которые могут обеспечивать полусферическое покрытие и напоминать шаблон косинусоидной формы. Выберите закрашенную фигуру антенного элемента с типичными излучателями размерностей. Длина закрашенной фигуры составляет примерно половину длины волны на 77 ГГц, а ширина в 1,5 раза больше длины для улучшения полосы пропускания. Плоскость заземления находится на каждой стороне, и смещение подачи от центра в направлении длины закрашенной фигуры составляет около четверти длины.

patchElement = design(patchMicrostrip,fc);

Поскольку конфигурация антенны закрашенной фигуры по умолчанию имеет максимальное излучение, направленное в сторону зенита, поверните закрашенную фигуру антенну на 90 степени вокруг оси Y, чтобы максимум теперь произошел вдоль оси X.

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

Изолированная закрашенная фигура 3D шаблоном и резонансом

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

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

Закрашенная фигура излучается в правильном режиме с максимально допустимым шаблоном в 0 степенях азимута и 0 степенях повышения. Поскольку начальные размерности являются приближениями, важно проверить поведение входного импеданса антенны.

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

Согласно рисунку, закрашенная фигура имеет первый резонанс (параллельный резонанс) на 74 ГГц. Обычной практикой является сдвиг этого резонанса на 77 ГГц путем масштабирования длины закрашенной фигуры.

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

Далее проверяется коэффициент отражения закрашенная фигура, чтобы подтвердить хорошее соответствие импеданса. Типично рассматривать значение как порог 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 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.

Наконец, проверьте, соответствует ли шаблон на ребро частотах полосы данных проекту. Это является хорошим показателем того, ведет ли шаблон то же самое по всей полосе. Шаблоны 76,5 ГГц и 77,6 ГГц показаны ниже.

pattern(patchElement,76.5e9)

pattern(patchElement,77.6e9)

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

Создайте массив из изолированных Излучателей и постройте график Шаблона

Далее создаётся равномерный прямоугольный массив (URA) с закрашенной фигурой антенной. Интервал выбирается таким, где - длина волны на верхней частоте полосы частот (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];

Следующий рисунок показывает шаблон полученной закрашенная фигура решетки. Шаблон вычисляется с помощью разделения на 5 степени как в азимуте, так и в повышение.

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

Графики ниже сравнивают изменение шаблона в 2 ортогональных плоскостях для закрашенной фигуры антенной решетки и массива косинусоидного элемента. Обратите внимание, что оба массивов игнорируют эффект взаимной связи.

Сначала постройте график шаблонов направленности по азимуту.

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

Затем постройте график шаблонов в повышение направлении.

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

Рисунки показывают, что оба массивов имеют сходное поведение шаблона вокруг основного луча в плоскости повышения (азимут = 0 o). Массив патч-элемента имеет значительную обратную связь по сравнению с массивом косинус-элементов.

Заключения

Этот пример начинает проект антенной решетки для радара FMCW с идеальной косинусоидной антенны, а затем использует закрашенную фигуру, чтобы сформировать реальный массив. Пример сравнивает шаблоны из двух массивов, чтобы показать компромисс проекта. Из сравнения видно, что использование изолированной закрашенной фигуры является полезным первым шагом в понимании эффекта, который реалистичный антенный элемент оказал бы на шаблон массива.

Однако анализ реалистичных массивов должен также учитывать эффект взаимной связи. Поскольку это небольшой массив (8 элементов в строения 2x4), отдельные шаблоны элементов в среде массива могут быть значительно искажены. В результате невозможно заменить шаблон изолированного элемента на шаблон встроенного элемента, как показано в примере Моделирования Взаимной Связи в Больших Массивах с использованием Шаблона Встроенного Элемента. Полный волновой анализ должен быть выполнен, чтобы понять эффект взаимной связи на эффективность массива.

Ссылка

[1] R. Kulke, et al. Радарный датчик 24 ГГц интегрирует закрашенную фигуру, EMPC 2005 http://empire.de/main/Empire/pdf/publications/2005/26-doc-empc2005.pdf