补丁FMCW雷达的天线阵

这个示例使用:

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这个例子展示了如何建模77 GHz对调频连续波(FMCW)雷达天线阵的应用程序。天线和天线阵列在车辆已经成为司空见惯的介绍无线碰撞检测,防撞,车道偏离警告系统。两个频段考虑这样的系统是围绕24 GHz和77 GHz,分别。在本例中,我们将研究微带贴片天线作为相控阵散热器。空气介质衬底。

这个例子需要天线工具箱™。

天线阵的设计

FMCW天线阵列用于雷达系统旨在寻找和防止碰撞。因此,余弦天线模式初始设计的合适的选择,因为它没有辐射能量向后。假设雷达系统运行在77 GHz 700 MHz带宽。

fc = 77 e9;fmin = 73 e9;fmax = 80 e9;vp = physconst (“光速”);λ= vp / fc;cosineantenna = phased.CosineAntennaElement;cosineantenna。FrequencyRange = [fmin fmax];模式(cosineantenna fc)

数组本身需要安装在或在前保险杠。我们调查的阵列配置是2 X 4矩形数组,类似于什么是[1]中提到。这样的设计有较大的孔径沿方位角方向从而提供更好的方位分辨率。

Nrow = 2;Ncol = 4;fmcwCosineArray = phased.URA;fmcwCosineArray。元素= cosineantenna;fmcwCosineArray。大小= [Nrow Ncol];fmcwCosineArray。ElementSpacing =(0.5 * 0.5λ*λ);模式(fmcwCosineArray fc)

现实的贴片天线设计

天线工具箱有几个天线元素可以提供半球形覆盖率和类似余弦形状的一个模式。选择一个补丁天线元素典型散热器尺寸。片的长度大约是77 GHz和半波宽度是1.5倍的长度来提高带宽。地面的飞机 $\λ美元$ 两侧和提要从中心偏移的方向补丁长度是大约四分之一的长度。

patchElement =设计(patchMicrostrip、fc);

因为默认的贴片天线几何有其最大辐射指向天顶,贴片天线90度旋转的轴,最大是沿着轴。

patchElement。倾斜= 90;patchElement。TiltAxis = (0 0 1);

孤立的贴片天线3 d模式和共振

贴片天线的情节模式77 GHz。补丁是一个中等增益天线方向性大约10 dBi峰值。

myFigure = gcf;myFigure。颜色=' w ';模式(patchElement fc)

补丁是正确的辐射模式与模式最大0度方位和0度仰角。由于最初的尺寸近似,来验证输入阻抗行为是很重要的。

Numfreqs = 21;freqsweep =独特([linspace (fmin、fmax Numfreqs) fc));阻抗(patchElement freqsweep);

根据图表,贴片天线第一共振(并联共振)77 GHz。

下一步是检查贴片天线的反射系数来确定良好的阻抗匹配。这是典型的考虑的价值 $美元S_ {11} = -10 dB$ 作为一个阈值来确定天线的带宽。

s = sparameters (patchElement freqsweep);rfplot(年代,“m -”。)举行在线(freqsweep / 1 e9的(1,元素个数(freqsweep)) * -10,“线宽”,1.5)从

深最低在77 GHz表明一个好的匹配到50。天线带宽略大于1 GHz。因此,从76.5 GHz频段是77.5 GHz。

最后,检查模式的优势频率乐队满足设计。这是一个很好的指示行为模式是否相同的整个乐队。在76.5 GHz和77.6 GHz的模式如下所示。

模式(patchElement 76.5 e9)

模式(patchElement 77.6 e9)

从孤立的散热器和情节模式创建数组

接下来,创建一个统一的矩形贴片天线阵列(URA所言)。选择间隔 $\λ/ 2美元$ ,在那里 $\λ美元$ 波长在乐队上频率(77.6 GHz)。

fc2 = 77.6 e9;lambda_fc2 = vp / 77.6 e9;fmcwPatchArray = phased.URA;fmcwPatchArray。元素= patchElement;fmcwPatchArray。大小= [Nrow Ncol];fmcwPatchArray。ElementSpacing = (0.5 * 0.5 * lambda_fc2 lambda_fc2);

下面的图显示了生成的贴片天线阵列的模式。计算模式使用一个5度分离方位角和仰角。

阿兹= 180:5:180;el = 90:5:90;clf模式(fmcwPatchArray fc, az, el)

下面的情节比较模式变化正交平面贴片天线阵和余弦元素的数组。注意,这两个数组忽视相互耦合效应。

首先,情节模式在方位方向。

patternAzimuth (fmcwPatchArray fc)在patternAzimuth (fmcwCosineArray fc) p = polarpattern (“gco”);p。LegendLabels = {“补丁”,的余弦};

然后,情节沿着垂直方向的模式。

clf patternElevation (fmcwPatchArray fc)在patternElevation (fmcwCosineArray fc) p = polarpattern (“gco”);p。LegendLabels = {“补丁”,的余弦};

数据显示,这两个数组的类似的模式行为的主要梁高程平面(方位= 0度)。patch-element数组相比有显著的backlobe cosine-element数组。

结论

这个例子开始FMCW雷达的天线阵列的设计一个理想的余弦天线,然后使用一个补丁天线形成真正的数组。两个数组的例子比较了模式展示设计权衡。的比较,可以看出使用孤立的补丁元素是一个有用的第一步在理解现实的天线的作用对数组元素的模式。

然而,现实的分析阵列还必须考虑互耦效应。由于这是一个小的数组,数组中的单个元素模式显著环境可能是扭曲的。结果是不可能取代模式与嵌入式元素模式孤立的元素,如图所示建模在大型数组使用内嵌元素模式相互耦合的例子。必须理解执行全波分析对整个阵列互耦的影响性能。

参考

[1]r . Kulke et al . 24 GHz雷达传感器集成了贴片天线,EMPC 2005http://empire.de/main/Empire/pdf/publications/2005/26-doc-empc2005.pdf