CN113378361A - 一种毫米波雷达阵列天线分析方法 - Google Patents

一种毫米波雷达阵列天线分析方法 Download PDF

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屈新田
李明虎
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Abstract

本发明涉及仿真分析技术领域，具体地指一种毫米波雷达阵列天线分析方法。在仿真软件中对毫米波雷达阵列天线进行建模，对模型施加激励源，创建空气域建立一可包络住阵列天线模型的阵元、基板和地层的长方体空间，设置空气域的边界条件和阵元的谐振频率，运用电磁仿真工具对仿真模型进行计算，提取阵元的特性参数，将特性参数与阵列天线的设计特性参数进行比对，分析阵列天线是否符合设计要求。本发明对于设计的阵列天线进行仿真分析，可以得到阵列天线的特性参数，无需制造阵列天线实物即可分析设计阵列天线是否符合设计要求，大大提高了阵列天线设计的效率，降低了阵列天线的设计制造成本，具有极大的推广价值。

Description

一种毫米波雷达阵列天线分析方法
技术领域
本发明涉及仿真分析技术领域，具体地指一种毫米波雷达阵列天线分析方法。
背景技术
随着汽车电动化、智能化、网联化、共享化、轻量化的发展，尤其是智能驾驶汽车的发展及其等级的提高，使得毫米波雷达成为智能驾驶汽车等级的标配。
车载毫米波雷达通过发射天线向外发射相应波段具有指向性的毫米波信号，接收天线接收目标反射信号，经处理器处理后，能够快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息(如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等)。然后根据所探知的物体信息进行目标追踪、识别、分类，进而结合车身动态信息进行数据融合，最终通过中央处理单元(ECU)进行智能处理。经合理决策后，以声、光及触觉多种方式告知或警告驾驶员，或及时对汽车做出主动干预，从而保证驾驶过程安全性，减少事故发生几率
毫米波雷达具有适应全天候环境，射频带宽较大而分辨率高，天线及相关部件尺寸小，穿透能力强，地物杂波低，抗EMC干扰能力强的优点。这些优势使得毫米波雷达是智能驾驶汽车环境感知领域的重要零部件，智能驾驶等级越高，则需要配备的毫米波雷达也越多。
但是现有的毫米波雷达无法在设计初期去分析毫米波雷达阵列天线的电磁、增益特性，这就导致需要预先制备出毫米波雷达然后针对雷达的电磁和增益特性进行分析，这样的分析手段就严重制约了毫米波雷达的设计效率。目前有专利号为“CN201611259877.8”的名为“一种毫米波阵列天线设计方法及阵列天线装置”的中国发明专利介绍了一种阵列天线的设计方法，该方法要解决的技术问题是不能有效解决阵列天线中阵元互耦现象，针对该技术问题，提出了一种优化的阵元综合方法，以仿真软件得到的天线辐射方向图代替阵因子方向图作为目标方向图，预先设计馈电网络，同时把馈电网络的结构参数同阵元的馈电电流进行等效从而直接求得天线的结构参数；通过目标函数的设计和优化仿真过程来控制阵列综合时算法优化的方向和速度，从而实现天线辐射方向图和优化算法的联合仿真，在阵列综合过程中考虑了互耦因素的影响，最终的结果不需要再进行耦合补偿，而且通过仿真的方式节约成本、简化了设计流程。但该发明介绍的方法实际上只能解决阵列天线中阵元互耦现象，但是无法分析设计的雷达阵列天线的电磁和增益特性，无法在阵列天线设计初期就对设计阵列天线进行分析，以此为阵列天线设计提供理论基础，提高阵列天线的设计效率。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种毫米波雷达阵列天线分析方法，本发明通过对阵列天线进行仿真建模，对建模模型施加激励源，分析阵列天线的电磁和增益特显，解决了现有技术无法在设计初期对阵列天线进行分析的问题，提高了阵列天线的设计效率。
本发明的技术方案为：一种毫米波雷达阵列天线分析方法，在仿真软件中对毫米波雷达阵列天线进行建模，对模型施加激励源，创建空气域建立一可包络住阵列天线模型的阵元、基板和地层的长方体空间，设置空气域的边界条件和阵元的谐振频率，运用电磁仿真工具对仿真模型进行计算，提取阵元的特性参数，将特性参数与阵列天线的设计特性参数进行比对，分析阵列天线是否符合设计要求。
进一步的所述对毫米波雷达阵列天线进行建模的方法包括：根据阵列天线的阵元结构、馈电方式、阵元贴片数量、三维数据以及基板的厚度和材料特性对阵列天线进行建模。
进一步的所述对模型施加激励源的方法包括：在馈点端口的面施加激励，激励源为电压源、电流源或是模式中的一种。
进一步的所述创建空气域的方法包括：根据仿真分析对象毫米波雷达频率得出波长，建立一个可以将阵元、基板、地层包络住的长方体空间，基板边缘距离邻近的长方体空间侧面的距离为1/4波长，将长方体的材质设置为空气，形成空气域。
可以根据仿真分析对象毫米波雷达的工作中心频率76.5GHz，可以计算得出波长；阵元、基板、地层为微小厚度铜质的天线阵元、非金属FR4材质的基板、无厚度铜质的地层。
进一步的所述设置边界条件的方法包括：将已经创建完成的长方体空间的六个平面设置为辐射边界条件。
进一步的所述设置谐振频率的方法包括：根据阵列天线的微带的个数和长、宽、厚的设计尺寸而确定谐振频率，在软件中对阵元的工作谐振频率和频段进行设置。
进一步的所述提取阵元的特性参数的方法包括：利用电磁仿真工具对仿真模型进行计算，提取阵元的特性参数，特性参数包括阵元的驻波比、俯仰角范围、最大电场值和最大增益。
进一步的所述阵元结构包括阵元的贴片层、介电层和底层结构。
进一步的馈点端口位置的确定方法包括：对阵元结构进行分析，观察馈点的位置，根据端口馈电的物理意义，创建馈点的矩形几何面，即为端口位置。
进一步的创建馈点的矩形几何面的方法包括：在馈点的位置，创建积分线，由地层上表面指向阵列天线的阵元端面的下边缘形成馈点的矩形几何面。
本发明对于设计的阵列天线进行仿真分析，可以得到阵列天线的特性参数，无需制造阵列天线实物即可分析设计阵列天线是否符合设计要求，大大提高了阵列天线设计的效率，降低了阵列天线的设计制造成本，具有极大的推广价值。
附图说明
图1：本实施例的串馈阵元结构俯视示意图；
图2：本实施例的串馈阵元结构轴向示意图；
图3：本实施例的馈点端口示意图；
图4：本实施例的馈点端口积分线示意图；
图5：本实施例的模式激励示意图；
图6：本实施例的创建包络串馈阵元的空气域示意图；
图7：本实施例的空气域六个面全吸收边界条件示意图；
图8：本实施例的串馈阵元的驻波比VSWR随频率的变化示意图；
图9：本实施例的串馈阵元freq＝76.5GHz、φ＝90°时俯仰方向的增益示意图；
图10：本实施例的串馈阵元freq＝76.5GHz、φ＝0°时方位角方向的增益示意图；
图11：本实施例的串馈阵元freq＝76.5GHz、φ＝0°时电场E的分布示意图；
图12：本实施例的串馈阵元freq＝76.5GHz时三维远场增益示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1～12，本实施例介绍了一种毫米波雷达阵列天线的分析方法，是基于计算电磁学仿真理论，运用电磁仿真软件进行完成的，相关的输入、输出、数据提取及标定方法详细实施方式如下：
1、对阵列天线进行建模
获取设计的毫米波雷达阵列天线的外观，获取待分析毫米波雷达阵列天线阵元结构的信息，包括阵列天线的阵元结构、馈电方式、阵元贴片数量、三维数据以及基板的厚度和材料特性；
阵列天线的馈电方式包括串联馈电、并联馈电，阵元的贴片数量可以直接通过设计阵列天线获得，例如以1×10串馈单元为例，如图1所示，为串馈阵元，其中a为金属质贴片，本实施例的串馈阵元包含10片金属质贴片；
从三维数据角度对阵元的金属贴片层、介电层和底层进行分析，截取局部结构，如图3所示，其中其中b是串馈阵元，c是非金属材料介电层，d是金属地层；
确定馈点端口的位置，通过分析阵元结构观察哪一段是馈点的位置，馈点的几何特征可以是线，也可以是面。为了描述端口馈电的物理意义，可以创建几何面，如图3所示(其中e是端口的上边缘，连接金属质天线底层边缘，f是端口的下边缘，连接金属地层上表面)，在馈点的位置，创建积分线，如图4所示，由地层上表面指向阵列天线的阵元端面的下边缘形成馈点的矩形几何面；创建的矩形几何面就是端口位置；
2、施加激励源
在已经创建的馈点端口的矩形几何面施加激励，激励源可以是电压源、电力源或是模式，本实施例施加的激励源为模式激励，如图5所示，箭头朝向金属质铜层微带，对于给定横截面的波导或传输线，特定频率下有一系列的解满足相应的边界条件和麦克斯维方程组，每个解称之为一种模式，或者说一种波型；
3、创建空气域
根据仿真分析对象毫米波雷达的工作中心频率76.5GHz，可以计算得出波长，建立一个可以将包络住阵元、基板、地层(阵元、基板、地层为微小厚度铜质的天线阵元、非金属FR4材质的基板、无厚度铜质的地层)的长方体空间，长方体空间的侧面距离基材边缘是1/4的波长，设置其材料为空气air，本实施例如图6所示，其中i是空气域外边界，h是介质材料和金属地层的边界；
空气域计算尺寸如下表所示：
表一：串馈阵元与空气计算域说明
Figure BDA0003085169980000061
4、设置边界条件
将已创建的长方体空气计算域的六个平面设置成为辐射边界条件，本实施例中设置的边界条件如图7所示，其中长方体空气计算域的六个面被设置成为吸收边界条件，表示电磁波遇到这个长方体空气域的6个平面后，电磁波没有发生反射，全部被6个平面吸收；本实施例6个平面设置的仿真结果，如图7所示；
5、频率设置
根据阵元微带的个数和长、宽、厚的设计尺寸确定谐振频率，在软件中对此阵元的工作谐振频率、频段进行设置，本实施的串馈阵元求解的中心频率是76.5GHz，计算频率范围是75GHz～78GHz；
6、仿真参数提取
按照上述流程，利用电磁仿真工具对联合仿真模型进行计算，提取阵元的特性参数，本实施例的特性参数包括阵元的驻波比、俯仰角范围、最大电场值和最大增益，提取的阵元驻波比如图8所示；
本实施例阵元，提取阵元中心频率为76.5GHz、φ为90°时的增益，如图9所示，其中最大增益是16.37dB，3dB带宽对应的俯仰角范围是9.525°；
本实施例阵元，提取阵元中心频率为76.5GHz、φ角为0°时的增益，如图10所示，其中最大增益是16.37dB，3dB带宽时对应的方位角范围是70.43°；
本实施例阵元，提取阵元中心频率为76.5GHz、相位角为0°时电场E的分布，如图11所示，其中最大电场值是2.7079×105V/m；
本实施例阵元，提取阵元中心频率为76.5GHz时三维远场增益，如图12所示。
根据设计尺寸加工出阵元实物，在暗室中测试提取相关参数，其中提取的毫米波雷达中心工作频率对应的驻波比是1.23，与仿真值1.22，误差是0.81％。
测试3dB带宽，对应的方位角范围是70.87°，与仿真值70.43°比较，误差是0.624％。
测试3dB带宽，对应的俯仰角范围是9°，与仿真值9.525°比较，误差是0.624％，误差是5.51％。
毫米波雷达的工作参数允许有一定范围内变化，前述三个参数的误差都在可允许范围内，证实本发明专利所述的阵列天线仿真分析方法是可行的。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：在仿真软件中对毫米波雷达阵列天线进行建模，对模型施加激励源，创建空气域建立一可包络住阵列天线模型的阵元、基板和地层的长方体空间，设置空气域的边界条件和阵元的谐振频率，运用电磁仿真工具对仿真模型进行计算，提取阵元的特性参数，将特性参数与阵列天线的设计特性参数进行比对，分析阵列天线是否符合设计要求。
2.如权利要求1所述的一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：所述对毫米波雷达阵列天线进行建模的方法包括：根据阵列天线的阵元结构、馈电方式、阵元贴片数量、三维数据以及基板的厚度和材料特性对阵列天线进行建模。
3.如权利要求1所述的一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：所述对模型施加激励源的方法包括：在馈点端口的面施加激励，激励源为电压源、电流源或是模式中的一种。
4.如权利要求1所述的一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：所述创建空气域的方法包括：根据仿真分析对象毫米波雷达频率得出波长，建立一个可以将阵元、基板、地层包络住的长方体空间，基板边缘距离邻近的长方体空间侧面的距离为1/4波长，将长方体的材质设置为空气，形成空气域。
5.如权利要求1所述的一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：所述设置边界条件的方法包括：将已经创建完成的长方体空间的六个平面设置为辐射边界条件。
6.如权利要求1所述的一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：所述设置谐振频率的方法包括：根据阵列天线的微带的个数和长、宽、厚的设计尺寸而确定谐振频率，在软件中对阵元的工作谐振频率和频段进行设置。
7.如权利要求1所述的一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：所述提取阵元的特性参数的方法包括：利用电磁仿真工具对仿真模型进行计算，提取阵元的特性参数，特性参数包括阵元的驻波比、俯仰角范围、最大电场值和最大增益。
8.如权利要求2所述的一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：所述阵元结构包括阵元的贴片层、介电层和底层结构。
9.如权利要求3所述的一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：馈点端口位置的确定方法包括：对阵元结构进行分析，观察馈点的位置，根据端口馈电的物理意义，创建馈点的矩形几何面，即为端口位置。
10.如权利要求9所述的一种毫米波雷达阵列天线分析方法，其特征在于：创建馈点的矩形几何面的方法包括：在馈点的位置，创建积分线，由地层上表面指向阵列天线的阵元端面的下边缘形成馈点的矩形几何面。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114280957A (zh) * 2021-12-22 2022-04-05 南京长峰航天电子科技有限公司 一种射频阵列的数字化建模方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150227641A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-13 The Government Of The United States, As Represented By The Secretary Of The Army Radar target cross section simulation
CN107103124A (zh) * 2017-04-10 2017-08-29 西安电子科技大学 一种基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法
CN112329303A (zh) * 2020-11-03 2021-02-05 西安电子科技大学 基于有限元区域分解的阵列天线电磁特性求解方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150227641A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-13 The Government Of The United States, As Represented By The Secretary Of The Army Radar target cross section simulation
CN107103124A (zh) * 2017-04-10 2017-08-29 西安电子科技大学 一种基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法
CN112329303A (zh) * 2020-11-03 2021-02-05 西安电子科技大学 基于有限元区域分解的阵列天线电磁特性求解方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
段雷: "《77GHz微带阵列天线的研究》", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114280957A (zh) * 2021-12-22 2022-04-05 南京长峰航天电子科技有限公司 一种射频阵列的数字化建模方法及系统
CN114280957B (zh) * 2021-12-22 2024-02-13 南京长峰航天电子科技有限公司 一种射频阵列的数字化建模方法及系统

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