Проект антенной решетки

Антенная решетка FMCW предназначается для прямой радиолокационной системы, спроектированной, чтобы искать и предотвратить столкновение. Поэтому шаблон антенны косинуса является соответствующим выбором для первоначального проекта, поскольку это не излучает энергии назад. Примите, что радиолокационная система действует на уровне 77 ГГц с полосой пропускания на 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 смонтирован на или вокруг переднего бампера. Конфигурация массивов, которую мы исследуем, 2 X 4 прямоугольных массива, похожие на то, что упоминается в [1]. Такой проект имеет большую апертуру вдоль направления азимута, таким образом обеспечивающего 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)

Спроектируйте реалистическую антенну закрашенной фигуры

Antenna Toolbox имеет несколько антенных элементов, которые могли предоставить полусферическую страховую защиту и напомнить шаблон формы косинуса. Выберите антенный элемент закрашенной фигуры с типичными размерностями излучателя. Длина закрашенной фигуры является приблизительно полудлиной волны на уровне 77 ГГц, и ширина является 1.5 раза длиной к улучшению полосы пропускания. Наземная плоскость находится на каждой стороне, и смещение канала от центра в направлении длины закрашенной фигуры составляет приблизительно четверть длины.

patchElement = design(patchMicrostrip,fc);

Поскольку геометрии антенны закрашенной фигуры по умолчанию направили ее максимальное излучение к зениту, вращайте антенну закрашенной фигуры 90 градусами об оси Y так, чтобы максимум теперь произошел бы вдоль оси X.

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

Изолированная антенна закрашенной фигуры 3D шаблон и резонанс

Постройте шаблон антенны закрашенной фигуры на уровне 77 ГГц. Закрашенная фигура является средней антенной усиления с пиковой направленностью вокруг 6-9 dBi.

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

Закрашенная фигура исходит в правильном режиме с максимумом шаблона в 0 азимутах степеней и 0 вертикальных изменениях степеней. Поскольку начальные размерности являются приближениями, важно проверить поведение входного импеданса антенны.

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

Согласно фигуре, антенна закрашенной фигуры имеет свой первый резонанс (найдите что-либо подобное резонансу) на уровне 74 ГГц. Это - установившаяся практика, чтобы переключить этот резонанс к 77 ГГц путем масштабирования длины закрашенной фигуры.

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

Затем должен проверять отражательный коэффициент антенны закрашенной фигуры, чтобы подтвердить хорошую подобранность импедансов. Это типично, чтобы рассмотреть 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 на уровне 77 ГГц указывает на хорошее соответствие к 50. Полоса пропускания антенны немного больше 1 ГГц. Таким образом диапазон частот от 76,5 ГГц до 77,5 ГГц.

Наконец, проверяйте, выполняет ли шаблон на частотах ребра полосы проекту. Это - хорошая индикация, ведет ли шаблон себя то же самое через полосу. Шаблоны на уровне 76,5 ГГц и 77,6 ГГц показывают ниже.

pattern(patchElement,76.5e9)

pattern(patchElement,77.6e9)

В общем случае это - хорошая практика, чтобы проверять поведение шаблона по диапазону частот интереса.

Создайте массив из изолированных излучателей и постройте шаблон

Затем создайте универсальный прямоугольный массив (URA) с антенной закрашенной фигуры. Интервал выбран, чтобы быть, 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];

Следующий рисунок показывает шаблон получившейся антенной решетки закрашенной фигуры. Шаблон вычисляется с помощью 5 разделений степени и в азимуте и в вертикальном изменении.

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

Графики ниже сравнивают изменение шаблона 2 ортогональных плоскостей для антенной решетки закрашенной фигуры и массива элемента косинуса. Обратите внимание на то, что оба массива игнорируют взаимный эффект связи.

Во-первых, постройте шаблоны вдоль направления азимута.

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

Затем постройте шаблоны вдоль направления вертикального изменения.

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

Рисунки показывают, что оба массива имеют подобное поведение шаблона вокруг основного луча в плоскости вертикального изменения (азимут = 0 градусов). Массив элемента закрашенной фигуры имеет значительный backlobe по сравнению с массивом элемента косинуса.

Заключения

Этот пример запускает проект антенной решетки для радара FMCW с идеальной антенной косинуса и затем использует антенну закрашенной фигуры, чтобы сформировать действительный массив. Пример сравнивает шаблоны от этих двух массивов, чтобы показать компромисс проекта. От сравнения это видно, что использование изолированного элемента закрашенной фигуры является полезным первым шагом в понимании влияния, которое реалистический антенный элемент оказал бы на диаграмму направленности антенной решетки.

Однако анализ реалистических массивов должен также рассмотреть взаимный эффект связи. Поскольку это - небольшой массив (8 элементов в 2x4 настройка), шаблоны отдельного элемента в среде массивов могли быть значительно искажены. В результате не возможно заменить изолированный шаблон элемента на встроенный шаблон элемента, как показано в Моделирующей Взаимной Связи в Больших массивах Используя Встроенный пример Шаблона Элемента. Двухполупериодный анализ должен быть выполнен, чтобы изучить эффект взаимной связи на полной производительности массива.

Ссылка

[1] Р. Калк, и др. Радарный Датчик на 24 ГГц Интегрирует Антенны Закрашенной фигуры, EMPC 2005 http://empire.de/main/Empire/pdf/publications/2005/26-doc-empc2005.pdf