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毫米波雷达

毫米波雷达

天线技术的教程和研究趋势
2020-12-21
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 可重构微带天线

需要天线中的可重新配置性,以消除针对多种特性(例如极化,频率和辐射方向图)采用多个天线的需求。17-21可重构性是通过使用开关或可调材料修改基板属性或物理尺寸来实现的。基板材料的性能直接影响微带天线的谐振频率(与相对介电常数和磁导率成反比)和工作带宽(与基板厚度成正比)。铁电或铁氧体材料可以通过施加DC偏置磁场来改变磁导率,从而通过改变其电气尺寸来控制天线的谐振频率。18岁

微带天线中的导体尺寸可以控制辐射特性(请参见图10)。19图10a显示了一个微带矩形贴片(MRP),其外环通过二极管连接到内环。通过打开和关闭二极管,可以改变MRP尺寸,从而改变其谐振频率。图10b显示了通过将短对角线放置在贴片内部而实现极化的可重构性。图10c示出了以共享方式支持两个天线,接收天线(总孔径)和发射天线(内圈)的公共孔,展示了两种辐射模式的可重构性。

 天线可重构性:频率(a),极化(b),接收/发射(c)

图10天线可重构性:频率(a),极化(b),接收/发射(c)。

 

肖伯特等。图19展示了通过将短路柱放置在天线孔径中的选定位置来控制天线频率和极化。还显示了变容二极管和微机电(MEMS)电容器在提供频率捷变方面的用途。Su等。20使用增材制造技术来演示基于二氧化钒(VO2)墨水的开关在天线设计中的频率和辐射方向图可重构性。Leszkowska等。图21使用带有嵌入式PIN二极管开关电路的上覆层来控制光束转向。

 

穿戴式天线

人体可穿戴天线在人体局域网(BAN),无线局域网(WAN),健康监测和诊断以及人体通信中具有巨大的潜力。22-30 图11展示了一个人与一个人体传感器通信的用例,该传感器与一个远程健康提供者进行通信以进行监视,并与一个卫星进行通信以进行远程数据收集。天线非常靠近人体,在阻抗匹配,比吸收率(SAR),尺寸,成本,重量,体积和贴合性方面,设计面临很大挑战。Mandal等。29描述了用于Wi-Fi和WLAN应用的薄型,圆极化的“纽扣天线”,其具有频率选择结构(FSS)来抑制反向辐射。Njogu和Sanz-Izquierdo 30展示了一种用于身体交流的指甲形天线。

 穿戴式天线用例

图11穿戴式天线用例。

 

MIMO天线

MIMO 31-33是一种无线电天线技术,在发射器(Tx)和接收器(Rx)处使用多个天线来提供用于传输数据的多个信号路径(请参见图12)。MIMO可以实现波束成形,发射分集和接收分集。在城市场景中,多样性技术可以防止衰落并提高覆盖范围。MIMO空间复用使用相同的频率来传输不同的信号。大规模MIMO(M-MIMO)32-33使用大量的相控天线阵列,而不是有源终端和时分多路复用。能量集中在较小的空间区域,以提高辐射能效和吞吐量。M-MIMO对于5G应用至关重要。

  MIMO概念及其在5G应用中的使用

图12 MIMO概念及其在5G应用中的使用

 

超宽带(UWB)天线

由于脉冲形成网络的限制,UWB天线34-40用于低功率和短距离应用。在美国,UWB发射机被定义为在任何时间点具有等于或大于500 MHz的带宽或大于0.2的分数带宽(FBW)的故意辐射器。天线设计具有挑战性。UWB天线在其带宽上应具有平坦的群延迟。UWB的FBW定义为

 图片13.png

美国联邦通信委员会(FCC)已授权未经许可使用960 MHz以下,3.1至10.6 GHz频带中的UWB系统,且各向同性辐射功率(EIRP)非常低。UWB发射机的FCC功率谱密度发射限值为−41.3 dBm / MHz。UWB天线设计面临的挑战是:在UWB上实现一致的增益,HPBW,极化和相位;实现小天线尺寸(薄型)以适合商业系统;和控制成本。

已经开发了许多属于行波天线家族的天线设计,例如对数周期偶极天线(LPDA),Vivaldi天线和螺旋天线,以实现UWB。然而,它们外形大且体积大,使得它们对于无线通信系统是不切实际的。在过去的十年中,对用于UWB的平面单极天线进行了大量研究。36-37,39这些天线的接地平面保持较小,以实现低剖面。因此,设计活动应在系统设计和优化中考虑天线接地平面。

Nunn等。图39描述了用于UHF频带中的基于表面的冰探测的UWB圆形单极天线阵列。它包括16个平面子阵列,形成16 x 17 m的Mills交叉阵列,可最大程度地提高沿交叉和沿轨道方向的灵敏度和空间选择性。绝缘泡沫将接地层与单极分开,以使最大辐射指向侧面。Nie等。40报告了在端口和公共接地之间具有高度隔离的两端口共面波导(CPW)馈电UWB天线。专为全半球覆盖而设计,其隔离度大于31.4 dB,在2.98至10 GHz范围内具有10 dB的分集增益。还展示了2.5 dB的增益,效率优于80%。

 

超材料天线

超材料是具有自然界中不可见的异常特性的电磁结构:41,42

 双负(DNG)材料 图片14.png

 负折射率 图片15.png

 左撇子

 单负(SNG)材料图片16.png (E –,H – 场和波矢不遵循右手定则。)

 向后波(能量流与波矢量反平行)

DNG材料导致相速度和功率流反向平行;因此,截止波导的实现在假设上是不可行的。挑战在于天线质量因数及其电气尺寸的根本限制。这些材料的谐振使得设计更小的天线成为可能(请参见图13)。42尽管这种多频带天线很细,只有几毫米,但它们的作用距离却翻了一番,并提高了手机,Wi-Fi路由器和无线调制解调器的可靠性和电池寿命。

 小型超材料天线

图13小型超材料天线。

 

连接阵列天线

惠勒(Wheeler)43介绍了一种连续电流表(CCS)的概念,该电路会辐射横向电磁(TEM)波(请参见图14a)。接地平面被λ/ 4隔开的电流板的辐射电阻R在120Ω

并导致假设的无限带宽。CCS吸收入射平面波而没有任何反射。对于具有入射角 的E平面扫描,  由于E场在孔上的余弦投影,边界电阻与cos成正比。对于H平面扫描,边界电阻与cos -1成正比。然而,实际上,无限且均匀的电流表是不可行的。Munk 44是第一个演示它实际使用互连天线元件和5:1带宽偶极子阵列(称为“电流表阵列”(CSA))的公司(参见图14b)。TCDA正在研究中,以产生更有效的CSA形式。3、38、45 

 连接的阵列天线:CCS(a)和CSA(b)

图14连接的阵列天线:CCS(a)和CSA(b)。

 

挡风玻璃天线

汽车工业正在引入多个用于安全和娱乐的车载传感器。46 图15显示了一辆汽车,它支持连接到其车身的各种天线(f1,f2,f3,f4等)。汽车需要天线来播放音乐(f3),文件共享(f2),导航(f1)和防撞雷达(f4)系统。他们需要用于导航的GPS天线,以及支持雨水和睡眠传感器等各种传感器的天线。面临的挑战是要实现小巧的外形,同时减轻多个传感器之间相互干扰的影响以及车身对性能的影响。设计过程并不简单,需要将各种低频设计技术(如矩量法(MoM)和FEM)与高频设计技术(如统一衍射理论(UTD)和弹跳射线(SBR))进行混合。47、48

 挡风玻璃天线示意图

图15挡风玻璃天线示意图。

分形天线

分形是看起来一样的碎片几何形状,与大小缩放无关。分形金属元件可以用作非常大的频率频带上的天线,证明其自我相似性和缩放独立性。曼德尔布罗创造了这个词在1983年,49但起源可追溯到冯·科赫在1904年50他表明,它是可能设计出一个曲线没有切线,任何地方。用于天线的最受欢迎的分形形状是分形地毯,Sierpinski的垫片,Cantor的梳子,von Koch的雪花,Mandelbrot套装和Lorenz吸引子。所有这些分形的一个重要特性是其不规则性质。图16显示了一些典型的分形天线。

 分形天线的典型示例

图16分形天线的典型示例。

 

最近的一些出版物[ 52,53]演示了新型的分形天线,例如花形和蕨形叶形启发式维瓦尔第天线。Mondal等。图52描述了一种基于花形的圆极化折叠式微带贴片天线,具有49%的小型化,110度的3 dB波束宽度和120度的AR波束宽度。受自然启发的蕨形分形叶结构显示出19.7 GHz的阻抗带宽和10 dBi的增益。53

智能天线

智能天线是一个误称。它实际上是一个结合了天线结构的智能系统。它用于诸如到达方向(DoA)估计,自适应波束形成和自适应零点形成的应用。54,55 图17是一个类比,将智能天线系统与盲人和两个扬声器进行比较。失明的人可以“调音”耳朵以听一个扬声器,而忽略另一个扬声器。类似地,智能天线系统可以抑制来自一个方向的干扰并增强对来自所需源的信号的接收。MIMO是智能天线系统的一个例子。它不是单独的天线类型,而是现有天线类型的智能系统。

 智能天线系统示意图

图17智能天线系统示意图。

 

DGS天线

实际上,天线必须安装在某些结构上,该结构可以是飞机,轮船或诸如手机塔之类的固定结构。常规上,为了便于分析,天线设计采用无限大的接地平面或具有良好平面性的有限的接地平面。安装结构会影响天线性能,因为它们无法满足设计中假定的精确条件。图18是显示平台对天线方向图的影响的示意图。黑色和蓝色曲线分别显示了一个假设的天线方向图,该天线方向图没有受到机载平台的影响,也受到了机载平台的影响。

 天线-平台相互作用

图18天线-平台相互作用。

源自光子带隙(PBG)结构的DGS或EBG结构提供了一种方便的解决方案。DGS是具有类似于带阻滤波器特性的人工周期结构。它们阻止某些频段通过。它们可用于在安装平台上的天线下方局部实现天线接地平面,以最大程度地减少平台相互作用。56-58 Obelleiro等。图56展示了对安装在飞机,轮船和其他车辆平台上的阵列天线的详细研究。他们使用MoM分析法考虑了元件与平台之间的互耦合对天线性能的影响,旁瓣电平的下降幅度高达15 dB。Kumar等。57通过将DGS与微带天线集成在一起,可以提高极化纯度。演示了共极化和交叉极化模式之间隔离度提高了12 dB。贝尔等。58通过使用DGS结构实现轮廓减小。DGS对于控制互耦,提高极化纯度,实现小型化并减轻为实际应用而设计的天线中非理想接地平面的影响至关重要。

 

 

保形天线阵列

在机载应用(即飞机,导弹)中,天线可能会增大车辆的雷达横截面(RCS)并干扰空气动力学。因此,希望天线结构是保形的(见图19)。此外,保形天线对于实现可穿戴天线也是理想的。

 保形天线图示

图19保形天线图示。

SHAAS满足国防和商业要求,将满足多种功能(如雷达,通信,识别敌我对敌(IFF)和GPS)的不同天线组合在一起。4,55,56在某些应用中,例如海上巡洋舰,传统平台上可能装有100多个单独的天线。62 SHAAS通过共享多个功能的通用光圈解决了这个问题(请参见图20)。

可以同时或在分时模式下访问多种功能。天线设计面临的挑战是减少工作频带之间的带内和带外耦合,最小化与安装平台的相互作用,使电子设备小型化并排列元素间网格以避免光栅波瓣,同时减轻扫描损耗。4、9、63张等。图64描述了利用结构重用的概念的双频带共享孔径天线。SHAAS提供了一种使天线系统更环保(更高效),更紧凑且成本更低的解决方案。

移动平台上的共享孔径概念 

图20在移动平台上的共享孔径概念。

 

雷达天线

图21显示了自赫兹概念化第一个使用环形天线的火花塞实验以来雷达天线的演变。后来,Yagi和Uda(1920)引入了Yagi – Uda天线,随后是1930年代的号角天线,1940年代的天线阵列,1940年代末和1950年代初的抛物面反射器,1970年代的微带贴片天线和1980年代的PIFA。 。

后来,开发出了机械扫描阵列(MSA),其固定波束天线安装在伺服转子机构上。但是,伺服系统的惯性限制了旋转速度或扫描速度。为了克服这个问题,开发了无源电子扫描天线阵列(PESA),该电子阵列通过每个天线后面的移相器以电子方式旋转或扫描波束。

在PESA中,由于在后端分配从单个高功率发射机(HPT)接收的射频功率的固定功率分配网络,天线孔径上的幅度分布是固定的。4 HPT的故障表示系统的单点故障。有源电子扫描天线阵列(AESA)克服了这个问题。

AESA在单个外壳中的每个元素后面(称为发射-接收模块(TRM))包括独立的发射器和接收器。4、6 AESA的一个关键特性是平稳降级,即即使在很少的TRM(通常少于10%到15%)出现故障的情况下,雷达也只能以有限的功能运行。AESA的总体设计要求可以归纳为以下参数:

功能要求

空间扫描量

瞬时/工作带宽

光束宽度

峰值和平均旁瓣电平

天线增益

极化

峰值功率和平均功率输出

光束切换能力

主电源要求

物理要求

尺寸,重量,运输和流动性

生产,维护和可靠性

环境要求

冲击和振动能力

工作温度范围

湿度,盐,雾和真菌

 天线演变

图21天线演变。

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