FMCW贴片天线阵

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这个例子描述了建模77 GHz 2 X 4天线阵的调频连续波(FMCW)应用程序。天线和天线阵列在车辆已经成为一个普遍的无线碰撞检测,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。

这个例子需要以下产品:

相控阵系统工具箱™

设计参数

设置中心频率和频带。光速被认为是真空。

fc = 77 e9;fmin = 73 e9;fmax = 80 e9;vp = physconst (“光速”);λ= vp / fc;

创建2 X 4数组

假设的元素模式

FMCW天线阵列用于雷达系统旨在寻找和防止碰撞。因此,首先假定的天线元素有显著的模式覆盖在一个半球。余弦天线元素将是一个合适的选择。

cosineElement = phased.CosineAntennaElement;cosineElement。FrequencyRange = [fmin fmax];cosinePattern =图;模式(cosineElement fc)

理想阵列模式

数组本身需要安装在或在前保险杠。数组配置我们调查是[1]中提到的类似,即2 X 4矩形数组。

Nrow = 2;Ncol = 4;fmcwCosineArray = phased.URA;fmcwCosineArray。元素= cosineElement;fmcwCosineArray。年代ize = [Nrow Ncol]; fmcwCosineArray.ElementSpacing = [0.5*lambda 0.5*lambda]; cosineArrayPattern = figure; pattern(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覆盖半球形。选择贴片天线元素和设计在感兴趣的频率。补丁的长度大约是77 GHz和半波宽度长度的1.5倍,为提高带宽。

patchElement =设计(patchMicrostrip、fc);

由于默认贴片天线在天线的几何工具箱图书馆有其最大辐射指向天顶,贴片天线90度旋转的轴,沿着x轴最大现在将发生。这也是阵列的孔径方向相控阵系统工具箱。

patchElement。倾斜= 90;patchElement。TiltAxis = (0 0 1);图显示(patchElement)轴紧视图(140年,20)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题patchMicrostrip天线元素包含5块类型的对象,表面。这些对象代表压电陶瓷,饲料。

孤立的贴片天线3 d模式和共振

3 d指向性图案

贴片天线的情节模式77 GHz。补丁是一个中等增益天线的方向性6 - 9 dBi峰值。

模式(patchElement fc)

图包含一个坐标轴对象和其他对象类型的uicontrol。坐标轴对象包含5块类型的对象,表面。

共振

补丁是正确的辐射模式与模式最大的方位=海拔= 0度。从最初的尺寸是一个近似,检查输入阻抗行为。

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

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题阻抗包含2线类型的对象。这些对象代表电阻、电抗。

建立带宽

剧情片的反射系数来确认良好的阻抗匹配。这是典型的考虑的价值 ${年代}_{11} = - - - - - - 10 d B$ 作为一个阈值来确定天线的带宽。

s = sparameters (patchElement freqsweep);图rfplot(年代,“m -”。)举行在线(freqsweep e09 / 1,(1,元素个数(freqsweep)) * -10,“线宽”,1.5)从

$图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象包含2线类型的对象。该对象代表dB (S_ {11})。$

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。

确认模式频率中心和角落

确认的模式在拐角处频率乐队仍然几乎相同。情节模式在76.5 GHz和77.6 GHz如下所示。

这是一个很好的练习来检查模式行为在一般感兴趣的频段。

从孤立的散热器和情节模式创建数组

创建统一的矩形阵列(URA所言),但这一次使用孤立的贴片天线作为单独的元素。我们选择间距 $λ / 2$ 在乐队上频率即77.6 GHz。

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

情节贴片天线阵列的模式构建。指定一个5度分离在方位角和仰角绘制3 d模式。

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

情节模式的变化在两个正交的平面

比较模式变化2正交平面贴片天线阵和余弦元素的数组。数组忽视相互耦合。

[Dcosine_az_zero, ~, eln] =模式(fmcwCosineArray fc 0, el);[Dcosine_el_zero,下跌]=模式(fmcwCosineArray fc, az, 0);[Dpatch_az_zero, ~, elp] =模式(fmcwPatchArray fc 0, el);[Dpatch_el_zero, azp] =模式(fmcwPatchArray fc, az, 0);

elPattern =图;情节(eln (Dcosine_az_zero eln (Dpatch_az_zero,“线宽”,1.5)轴([min (eln)马克斯(eln) -40 17])网格在包含(“高程(度)。”)ylabel (“方向性(dBi)”)标题(“阵列方向性Variation-Azimuth = 0度。”)传说(“余弦元素”,贴片天线的,“位置”,“最佳”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题阵列指向性Variation-Azimuth = 0 deg.包含2线类型的对象。这些对象代表余弦元素,贴片天线。

azPattern =图;Dpatch_el_zero Dcosine_el_zero情节(下跌,下跌,“线宽”,1.5)轴([min(下跌)马克斯(下跌)-40 17])网格在包含(“方位(度)。”)ylabel (“方向性(dBi)”)标题(“阵列方向性Variation-Elevation = 0度。”)传说(“余弦元素”,贴片天线的,“位置”,“最佳”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题阵列指向性Variation-Elevation = 0 deg.包含2线类型的对象。这些对象代表余弦元素,贴片天线。

讨论

余弦元素数组和数组由孤立的贴片天线,没有相互耦合,都有类似的模式行为的主要梁高程平面(方位= 0度)。patch-element数组相比有显著的回叶cosine-element数组。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元素的作用会对数组模式。然而,在现实的阵列分析,必须考虑互耦。由于这是一个小的数组(8元素2 X 4配置),数组中的单个元素模式显著环境可能是扭曲的。因此,它不可能取代孤立的元素与嵌入式模式元素的模式。必须理解执行全波分析对整个阵列互耦的影响性能。

另请参阅

贴片天线在介质基板上

互耦对MIMO通信的影响

参考

[1]Kulke, R。,年代。Holzwarth, J. Kassner, A. Lauer, M. Rittweger, P. Uhlig and P. Weigand. “24 GHz Radar Sensor integrates Patch Antenna and Frontend Module in single Multilayer LTCC Substrate.” (2005).