FMCW贴片天线阵

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本示例描述用于频率调制连续波(FMCW)应用的77ghz 2 × 4天线阵列的建模。随着无线碰撞检测、碰撞避免和车道偏离预警系统的引入，天线和天线阵列在车辆内部和周围的存在已经成为普遍现象。这种系统所考虑的两个频段分别集中在24 GHz和77 GHz。在这个例子中，我们将研究微带贴片天线作为相控阵辐射器。电介质衬底是空气。

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。光速被假定为真空的速度。

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

创建2 X 4 Array

假设的元素模式

FMCW天线阵列用于前向雷达系统，旨在寻找和防止碰撞。因此，从一个假设的天线单元开始，该单元在一个半球具有显著的模式覆盖。一个余弦天线单元将是一个适当的选择。

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

理想阵列模式

阵列本身需要安装在前保险杠上或周围。我们研究的阵列结构与[1]中提到的类似，即一个2x4矩形阵列。

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);

设计逼真的贴片天线

天线工具箱™具有多个天线元件，可提供半球形覆盖。选择贴片天线元件并在感兴趣的频率上进行设计。为了提高带宽，贴片的长度约为77 GHz的半波长，宽度为其长度的1.5倍。

patchElement = design(patch微带，fc);

因为默认的贴片天线几何在天线工具箱中有它的最大辐射指向天顶，围绕y轴旋转贴片天线90度，所以最大值现在将发生在x轴上。这也是相控阵系统工具箱中阵列的轴向方向。

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

图中包含一个轴对象。以patch微带天线单元为标题的轴对象包含5个patch、surface类型的对象。这些对象代表PEC、feed。

隔离贴片天线三维图形和共振

3 d指向性图案

画出贴片天线在77ghz的方向图。该贴片是一个中等增益天线，峰值方向性在6 - 9 dBi左右。

模式(patchElement fc)

图中包含一个轴对象和其他uicontrol类型的对象。axis对象包含5个类型为patch, surface的对象。

共振

贴片以正确的模式辐射，在方位角=仰角= 0度处最大模式辐射。由于初始尺寸是近似值，检查输入阻抗行为。

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

图中包含一个轴对象。标题为“阻抗”的轴对象包含两个类型为line的对象。这些物体代表抵抗，抵抗。

建立带宽

绘制反射系数的补丁，以确定一个良好的阻抗匹配。通常考虑的是值 ${年代}_{11} ＝ - 10 d B$ 作为确定天线带宽的阈值。

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

$图中包含一个轴对象。轴对象包含两个类型为line的对象。该对象表示dB(S_{11})。$

深度最低频率为77 GHz，与50 GHz匹配良好。天线带宽略大于1ghz。因此，频段从76.5 GHz到77.5 GHz。

确认中心和角落的频率

确认在频带的角频率的图案保持几乎相同。76.5 GHz和77.6 GHz的方向图如下图所示。

通常，在感兴趣的频带上检查模式行为是一种很好的做法。

从隔离散热器和Plot Pattern创建阵列

创建统一矩形阵列(URA)，但这次使用隔离贴片天线作为单独的元素。我们选择间距 $λ / 2$ 在该频带的上频率，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];

绘制这样构造的贴片天线阵列的图案。在方位角和仰角上指定5度的距离来绘制3D图案。

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

两个正交平面的图形变化

比较了贴片天线阵列和余弦元阵列在两个正交平面上的方向图变化。两个数组都忽略了相互耦合。

[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) max(eln) -40 17])网格在包含(“高程(度)。”) ylabel (“方向性(dBi)”)标题('阵列方向性变化-方位角= 0 deg ')传说(“余弦元素”，贴片天线的，“位置”，“最佳”）

图中包含一个轴对象。标题为Array Directivity Variation-Azimuth = 0°的轴对象包含2个类型为line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(azn) max(azn) -40 17])网格在包含(“方位(度)。”) ylabel (“方向性(dBi)”)标题('Array Directivity Variation-Elevation = 0 deg.')传说(“余弦元素”，贴片天线的，“位置”，“最佳”）

图中包含一个轴对象。标题为Array Directivity Variation-Elevation = 0 de0的轴对象包含2个类型为line的对象。这些对象代表余弦元素，贴片天线。

讨论

无互耦的余弦单元阵列和由孤立贴片天线构成的阵列在仰角平面(方位= 0°)主波束周围具有相似的方向图行为。与余弦元阵列相比，块元阵列具有显著的后瓣。使用隔离贴片单元是理解真实天线单元对阵列方向图的影响的有用的第一步。然而，在实际的阵列分析中，必须考虑互耦。由于这是一个小阵列(2 × 4配置中有8个元素)，阵列环境中的单个元素模式可能会被严重扭曲。因此，不可能将孤立的元素模式替换为嵌入的元素模式。必须进行全波分析以了解互耦对阵列整体性能的影响。