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基于FMCW雷达的ACC系统的天线技术

2019-03-24  汉无为

下面是文章《下一代智能汽车的毫米波雷达系统实例》的后续内容。需要译文全文PDF阅读版的请给“雷达通信电子战”发送关键词:190319

天线

基于FMCW雷达驱动多天线阵列的ACC系统多模型雷达如下图所示。这种具有数字波束成形的多波束、多范围雷达同时工作在24GHz和77GHz,利用两个开关阵列天线实现长距离测距和窄角度覆盖(150m,±10°)、短距离测距和宽角度覆盖(60m,±30°)。


本例说明了多个天线阵列系统的使用,用于这类系统需要的接收机中,这些阵列包括长距离窄角度检测(77GHz)的多个(5X12单元)串行馈电的贴片阵列(SFPA)和用于短距离、宽角度检测的单个SFPA(为24GHz设计的1X12单元)和四个(1X12)SFPA。

雷达性能受天线技术的影响极大,必须考虑特定应用的增益、波束宽度、范围和物理尺寸。在本示例雷达中的多个固定TR/RX天线阵列对于范围、角度和副瓣抑制进行了优化。贴片天线相对易于设计与制造,在装配到阵列中的性能也很好,使总增益和指向性增加。

矩形贴片天线设计的性能受天线的长、宽、电介质厚度和介电常数的影响。单个贴片的长度控制了谐振频率,而宽度控制了输入阻抗和辐射方向图。增加宽度会减小阻抗。然而,将阻抗减小到50欧姆通常需要非常宽的贴片天线,这会占用许多宝贵的空间。

较大的宽度也可增加带宽,基底的高度较大也可增加带宽。较低的基底介电常数数值控制了边缘场,导致较宽的边缘,因此能得到较好的辐射。减小介电常数也会增加天线的带宽。较低的介电常数值也会增加效率。

设计单个贴片天线或阵列,可以使用设计软件利用EM分析准确仿真和优化性能。NIAWR设计环境平台包括AXIEM 3D平面和AnalystTM 3D有限元方法(FEM) EM仿真器。这些仿真器不仅仿真天线的近场、远场辐射方向图、输入阻抗和表面电流等性能,也能直接与VSS软件协同仿真,自动将天线仿真结果并入到总雷达系统分析中,不需要在EM仿真器和系统设计工具之间手动输出/输入数据。


AXIEM和Analyst仿真器都能输入用户定义的天线物理属性如贴片宽度、长度以及电介质的属性如材质和基底厚度,生成电气响应。AXIEM仿真器特别适合于贴片天线分析(如上图),而Analyst仿真器最适合于3D结构如同轴馈线结构或有限介质(当近似为PCB边缘时会影响天线的性能)的建模。下图给出了结合有馈线的贴片天线阵列。


为了确定产生所需要电气响应的物理属性,天线设计者可使用AntSynTM天线分析和优化模块。AntSynTM软件使用户能规定天线的电气要求和物理尺寸约束,软件探索设计配置的集合,基于专用的遗传优化和EM分析确定最优结构。

生成的天线几何尺寸可以被导入专用的平面或3D EM仿真器如AXIEM或Analyst仿真器,用于验证或进一步分析/优化。


可以将简单的单元如微带贴片组合起来很容易地构成平面单元阵列结构。贴片可以串联配置成上图所示的1x8贴片阵列,每个单元通过传输线“可调”部分串联连接。在该AXIEM项目中,每个阵列单元的长度和宽度以及连接的传输线可以用变量来定义,允许对总体阵列性能优化。

1x8阵列可以进一步扩展为8x8的高增益固定波束阵列,如下图所示,为[2]所报道的8x8阵列的复制。(7GHz 8x8阵列,具有N*λ/2馈电,λ/2<间距<λ)


在VSS软件内,阵列可以用专用相控阵模型表述为系统行为模块,使设计者能规定阵列结构(单元数、单元间距、天线方向图、受损的单元、增益渐变等等),用于所需要性能如增益和副瓣等阵列需求的高级别理解。对于天线阵列团队来说,对于大规模阵列(上千个单元)和开发基本需求的系统设计者,这种方法是最佳的。

也可以用AXIEM或Analyst仿真器进行详细的物理层阵列建模。在AXIEM或Analyst仿真器中,可以指定独立的馈电端口,如果是馈电网络,也可以指定单馈电网络(图:8x8贴片阵列的仿真,近似为2.3x2.5cm)


这一方法使设计团队能研究波束角度和每个独立单元的输入阻抗之间的相互关系,允许射频前端元件设计者考虑对收发信机性能的阻抗负载效应影响。这一能力突显了具有射频电路、系统和EM协同仿真的重要性,以在制造这些复杂系统之前准确研究电路/天线行为。

MIMO和波束控制天线技术

对于汽车,雷达会接收到不想要的来自地面以及环境中任何较大静止物体的后向杂散,如建筑物和护栏的侧面。除了直接路径反射,散射体之间还存在着多径反射。通过使用多输入多输出(MIMO)天线可减轻杂散的影响。

MIMO雷达系统使用多天线系统,每个发射天线独立于其他发射天线辐射任意波形。每个接收天线都可以接收这些信号。由于不同的波形,回波信号可以重新分配给单个发射机。

N个发射机天线的场和K接收机的场数学上合成为一个虚拟的K*N单元的场,形成一个较大的虚拟孔径,使设计者可减少必要的的阵列单元数目。因此,MIMO雷达系统提高了空间分辨率,极大提高了对干扰的抑制。通过提高信噪比,目标检测概率也增加了。


VSS软件能实现用户规定的MIMO算法,评估与具体信道模型相关联的总体性能。这种信道模型可以仿真高度定制的多径衰落信道,包括信道路径损耗、收发信机之间的相对速度、最大多普勒扩散。支持独立的或连续的块与块之间的操作,信道可以包含多种路径(LOS、瑞利、莱斯、频移),可以根据其衰落的类型、延迟、相对增益和其他应用特征独立地配置。

该模块也可以仿真用户定义几何尺寸的接收机天线,使其能仿真单输入多输出(SIMO)系统,如上图所示。

总结

本应用示例讨论了ADAS设计面临的挑战,通过例子阐述了VSS软件的雷达设计能力如何帮助设计者克服这些障碍。在车辆中ADAS越来越普及,不断地研究与开发使其更复杂、可靠性更高。类似NI AWR设计环境平台这种仿真技术的进步,特别是对射频敏感的电路设计、阵列建模和系统级协同仿真,使天线设计者和系统集成者可优化这些系统,以达到挑战性的尺寸、成本和可靠性目标。

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