RU2695934C1 - Mimo antenna array with wide viewing angle - Google Patents
Mimo antenna array with wide viewing angle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2695934C1 RU2695934C1 RU2018139881A RU2018139881A RU2695934C1 RU 2695934 C1 RU2695934 C1 RU 2695934C1 RU 2018139881 A RU2018139881 A RU 2018139881A RU 2018139881 A RU2018139881 A RU 2018139881A RU 2695934 C1 RU2695934 C1 RU 2695934C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elements
- antenna
- antenna elements
- passive
- group
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
- H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/12—Supports; Mounting means
- H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
- H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
- H01Q1/247—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set with frequency mixer, e.g. for direct satellite reception or Doppler radar
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S2013/0236—Special technical features
- G01S2013/0245—Radar with phased array antenna
- G01S2013/0254—Active array antenna
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к широкоугольной сканирующей антенной решетке MIMO.The present invention relates to radio engineering, and, more specifically, to a wide-angle MIMO scanning antenna array.
Уровень техникиState of the art
Радарные (радиолокационные) системы MIMO (Multiple Input Multiple Output - множественный ввод, множественный вывод) - это системы, состоящие из нескольких приемных и нескольких передающих антенн. Причем каждая передающая антенна в такой системе излучает произвольный сигнал независимо от других передающих антенн. Каждая принимающая антенна может принимать эти сигналы. Поле из N передающих антенн и поле из M принимающих антенн математически приводит к виртуальному полю из N·M антенных элементов и такому же увеличению размера виртуальной апертуры MIMO решетки.Radar (radar) systems MIMO (Multiple Input Multiple Output - multiple input, multiple output) - a system consisting of several receiving and several transmitting antennas. Moreover, each transmitting antenna in such a system emits an arbitrary signal independently of other transmitting antennas. Each receiving antenna can receive these signals. A field of N transmitting antennas and a field of M receiving antennas mathematically leads to a virtual field of N · M antenna elements and the same increase in the size of the virtual aperture of the MIMO array.
Радарные системы MIMO могут использоваться для улучшения пространственного разрешения и обеспечивают существенно улучшенную устойчивость к помехам. Улучшенное соотношение сигнал/шум также увеличивает вероятность обнаружения целей.MIMO radar systems can be used to improve spatial resolution and provide significantly improved noise immunity. Improved signal to noise ratio also increases the likelihood of target detection.
В настоящее время радарные системы находят широкое применение в различных отраслях, в том числе, в военное технике, связи, в транспортных средствах и т.д. Например, радарная система, такая как 3D/4D радар, является ключевым компонентом в автомобильной навигации. Основной характеристикой 3D радара является обнаружение направления на объект в азимутальной (горизонтальной) плоскости или угломестной (вертикальной) плоскости, а также определение скорости объекта и расстояния до объекта. В свою очередь 4D радар способен отслеживать направление на объект как в азимутальной плоскости, так и в угломестной плоскости, наряду с определением скорости объекта и расстояния до объекта.At present, radar systems are widely used in various industries, including military equipment, communications, vehicles, etc. For example, a radar system, such as a 3D / 4D radar, is a key component in car navigation. The main characteristic of a 3D radar is to detect the direction of the object in the azimuthal (horizontal) plane or elevation (vertical) plane, as well as determining the speed of the object and the distance to the object. In turn, the 4D radar is able to track the direction of the object both in the azimuthal plane and in the elevation plane, along with determining the speed of the object and the distance to the object.
Современные автомобильные радарные системы работают в различных режимах, таких как SRR (short-range application -дальность действия меньше 30м-50м), MRR (middle-range application - дальность действия меньше 70м-100м) и LRR (long-range application - дальность действия меньше 150м-200м). С целью повышения разрешения для решений SRR и MRR современные радарные системы применяют подход MIMO для цифрового формирования луча для обнаружения направления до цели.Modern automotive radar systems operate in various modes, such as SRR (short-range application - range less than 30m-50m), MRR (middle-range application - range less than 70m-100m) and LRR (long-range application - range less than 150m-200m). In order to increase resolution for SRR and MRR solutions, modern radar systems use the MIMO approach for digital beamforming to detect direction to the target.
Для применений в автомобильных радарных системах, особенно в режиме SRR, необходимо обеспечивать широкий угол обзора (Field of View - FoV) радарной системы в азимутальной плоскости. Например, для обнаружения объектов впереди (или сзади) транспортного средства в настоящее время на бампер транспортного средства устанавливают две антенные решетки, каждая из которых имеет угол обзора 90°, обеспечивая суммарный угол обзора около 180°. Такой подход объясняется тем, что в антенных решетках, имеющих угол обзора более 90°, в диаграмме направленности излучения возникают паразитные лепестки, что значительно снижает энергоэффективность таких антенных решеток.For applications in automotive radar systems, especially in SRR mode, it is necessary to provide a wide field of view (FoV) of the radar system in the azimuth plane. For example, to detect objects in front of (or behind) a vehicle, two antenna arrays are currently installed on the bumper of the vehicle, each of which has a viewing angle of 90 °, providing a total viewing angle of about 180 °. This approach is explained by the fact that in antenna arrays having a viewing angle of more than 90 °, parasitic petals appear in the radiation pattern, which significantly reduces the energy efficiency of such antenna arrays.
Стоит отметить, что угол обзора радара MIMO, имеющего N передатчиков (либо приемников) и M приемников (либо передатчиков), определяется угловыми направлениями, в которых уровень усиления огибающей сканирующего луча антенной решетки MIMO падает на 3дБ относительно максимального усиления в поле обзора, причем уровень усиления огибающей сканирующего луча антенной решетки MIMO определяется как:It is worth noting that the viewing angle of a MIMO radar having N transmitters (or receivers) and M receivers (or transmitters) is determined by the angular directions in which the gain of the envelope of the scanning beam of the MIMO antenna array decreases by 3 dB relative to the maximum gain in the field of view, and the level the gain of the envelope of the scanning beam of the MIMO antenna array is defined as:
где и - диаграмма направленности излучения каждого из N передатчиков и каждого из М приемников, θ -угол направления на объект в азимутальной плоскости. Where and - radiation pattern of each of the N transmitters and each of the M receivers, θ is the angle of direction to the object in the azimuthal plane.
Боковыми лепестками являются лепестки (локальные максимумы) диаграммы направленности дальнего поля, которые не являются основным лепесткомSide lobes are the lobes (local maxima) of the far field radiation pattern, which are not the main lobe
Паразитные лепестки - это боковые лепестки, которые из-за эффекта пространственного наложения становятся значительно большими по амплитуде и приближаются к уровню основного лепестка для антенн с фазированной решеткой.Spurious lobes are side lobes that, due to the spatial overlap effect, become much larger in amplitude and approach the level of the main lobe for phased array antennas.
Из уровня техники известно решение US 20170331178 A1, раскрывающее структуру антенны с широким лучом, которая включает в себя первую подложку, вторую подложку, расположенную на нижней поверхности первой подложки, микрополосковый антенный слой, расположенный на верхней поверхности первой подложки и включающий в себя множество микрополосковых антенн, соединенных в форме полосы, множество паразитных элементов, расположенных симметрично на двух сторонах микрополосковых антенн с интервалом между ними, причем длина паразитного элемента меньше длины микрополосковой антенны, заземляющий слой, расположенный между первой подложкой и второй подложкой, и слой питающей линии, расположенный на нижней поверхности второй подложки. При использовании паразитного элемента для улучшения ширины луча с половиной мощности увеличивается дальность видимости радарной системы транспортного средства. Однако, данный документ не раскрывает повышение угла обзора для антенной решетки, в частности для антенной решетки MIMO.The prior art solution US 20170331178 A1, revealing the structure of the antenna with a wide beam, which includes a first substrate, a second substrate located on the lower surface of the first substrate, a microstrip antenna layer located on the upper surface of the first substrate and including many microstrip antennas connected in the form of a strip, a plurality of spurious elements located symmetrically on two sides of the microstrip antennas with an interval between them, and the length of the spurious element is less than the length microstrip antenna, a grounding layer located between the first substrate and the second substrate, and a supply line layer located on the lower surface of the second substrate. When using a parasitic element to improve the beam width with half the power, the visibility range of the vehicle’s radar system is increased. However, this document does not disclose an increase in the viewing angle for the antenna array, in particular for the MIMO antenna array.
В статье «Dual-Band Wide-Angle Scanning Phased Array Composed of SIW-Cavity Backed Elements» авторов You-Feng Cheng, Xiao Ding и т.д. (см. IEEE, Transactions on Antennas and Propagation, том: 66, выпуск: 5, Май 2018) раскрыта апериодическая двухдиапазонная фазированная решетка с широкоугольным сканированием. В качестве основного элемента решетки используется закрытая резонатором антенна с встроенной волноводной подложкой (substrate integrated waveguide - SIW), которая имеет широкий луч при частоте 4,8 и 5,8 ГГц. Фазированная решетка содержит восемь подрешеток с равномерно распределенной компоновкой, и каждая подрешетка расположена в симметричной структуре. Теоретические и оптимизационные методы, в которых основные лучи подрешетки и полной решетки совпадают, а максимальный боковой лепесток полной решетки указывает на нуль подрешетки, предлагаются для уменьшения боковых лепестков. Основываясь на оптимизированных результатах, основной луч фазированной решетки может сканировать от -75° до +75° в обоих частотных диапазонах, а решетка поддерживает охват луча с уровнем -3 дБ от -86° до +86° в низкочастотном диапазоне и от -82° до +82° в высоком диапазоне, соответственно. Однако, широкий FoV в данном решении достигается за счет близкого расположения излучающих элементов: 16 элементов с апертурой 5λ дают среднее расстояние между элементами . Это приводит к ухудшению разрешения на 60% по сравнению с традиционной фазированной решеткой с расстоянием . Кроме того, данное решение направлено только на классическую фазированную решетку и не раскрывает повышение угла обзора для антенной решетки MIMO.In the article “Dual-Band Wide-Angle Scanning Phased Array Composed of SIW-Cavity Backed Elements” by You-Feng Cheng, Xiao Ding, etc. (see IEEE, Transactions on Antennas and Propagation, Volume: 66, Issue: 5, May 2018) An aperiodic dual-band phased array with wide-angle scanning is disclosed. As the main element of the grating, a cavity-closed antenna with an integrated integrated waveguide (SIW) is used, which has a wide beam at a frequency of 4.8 and 5.8 GHz. The phased array contains eight sublattices with a uniformly distributed arrangement, and each sublattice is located in a symmetrical structure. Theoretical and optimization methods in which the main rays of the sublattice and the full lattice coincide, and the maximum side lobe of the full lattice indicates zero sublattice, are proposed to reduce the side lobes. Based on optimized results, the main beam of a phased array can scan from -75 ° to + 75 ° in both frequency ranges, and the array supports beam coverage with a level of -3 dB from -86 ° to + 86 ° in the low-frequency range and from -82 ° up to + 82 ° in a high range, respectively. However, a wide FoV in this solution is achieved due to the close arrangement of the radiating elements: 16 elements with an aperture of 5λ give the average distance between the elements . This leads to a 60% lower resolution compared to a traditional phased array with distance . In addition, this solution is aimed only at the classical phased array and does not reveal an increase in the viewing angle for the MIMO antenna array.
В статье «Planar Phased Array with Wide-angle Scanning Performance Based on Image Theory» авторов Ren Wang, Bing-Zhong Wang и т.д. (см. IEEE, Transactions on Antennas and Propagation, том: 63, выпуск: 9, сентябрь 2015) раскрыта широкополосная антенна и плоская фазированная решетка с широкоугольными характеристиками сканирования, основанная на теории изображений. Для решения проблемы широкоугольного сканирования дается суммирующая оценка основных типов антенн на основе несущей, и указываются типы антенн, доступных для широкоугольных сканирующих решеток. В статье предложена широкоугольная сканирующая решетка с заземлением искусственного магнитного проводника (artificial magnetic conductor - AMC). Направление основного луча решетки может изменяться от -89° до 90° в плоскости H с флуктуацией усиления менее 3 дБ, а ширина сканирования с уровнем 3 дБ может охватывать диапазон от -105° до 105°. Однако, в данном решении расширение FoV достигается посредством использования дополнительного слоя заземленного искусственного магнитного проводника (AMC), что повышает сложность структуры PCB (printed circuit board - печатная плата) и ухудшает параметры согласования антенных элементов вследствие необходимости согласования с AMC. Кроме того, данное решение направлено только на классическую фазированную решетку и не раскрывает повышение угла обзора для антенной решетки MIMO.In the article “Planar Phased Array with Wide-angle Scanning Performance Based on Image Theory” by Ren Wang, Bing-Zhong Wang, etc. (see IEEE, Transactions on Antennas and Propagation, Volume: 63, Issue: 9, September 2015) disclosed a broadband antenna and a flat phased array with wide-angle scanning characteristics based on image theory. To solve the problem of wide-angle scanning, a summarizing assessment of the main types of carrier-based antennas is given, and the types of antennas available for wide-angle scanning arrays are indicated. The article proposes a wide-angle scanning grating with grounding of an artificial magnetic conductor (AMC). The direction of the main beam of the grating can vary from -89 ° to 90 ° in the H plane with a gain fluctuation of less than 3 dB, and the scanning width with a level of 3 dB can cover the range from -105 ° to 105 °. However, in this solution, FoV expansion is achieved through the use of an additional layer of grounded artificial magnetic conductor (AMC), which increases the complexity of the PCB structure (printed circuit board) and worsens the matching parameters of the antenna elements due to the need for coordination with AMC. In addition, this solution is aimed only at the classical phased array and does not reveal an increase in the viewing angle for the MIMO antenna array.
Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании простой, компактной и недорогой антенной решетки MIMO, имеющей широкий угол обзора и высокое разрешение.Thus, in the prior art there is a need for a simple, compact and inexpensive MIMO antenna array having a wide viewing angle and high resolution.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.The present invention is directed to solving at least some of the above problems.
Согласно настоящему изобретению предложена антенная решетка MIMO, содержащая первую группу антенных элементов и вторую группу антенных элементов, причем первая группа антенных элементов включает в себя несколько активных антенных элементов, а также пассивные антенные элементы, причем антенные элементы первой группы расположены таким образом, чтобы формировать диаграмму направленности излучения, имеющую впадину в центральной части диаграммы, т.е. в каждом ряду антенной решетки, содержащем антенные элементы первой группы, между активными антенными элементами первой группы элементов расположен по меньшей мере один пассивный антенный элемент, причем активные антенные элементы первой группы в ряду расположены в соответствии с одним из следующих вариантов:The present invention provides an MIMO antenna array comprising a first group of antenna elements and a second group of antenna elements, the first group of antenna elements including several active antenna elements as well as passive antenna elements, the antenna elements of the first group being arranged so as to form a diagram radiation directivity having a depression in the central part of the diagram, i.e. in each row of the antenna array containing the antenna elements of the first group, between the active antenna elements of the first group of elements there is at least one passive antenna element, the active antenna elements of the first group in a row located in accordance with one of the following options:
- один пассивный антенный элемент расположен между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с одной стороны и один пассивный антенный элемент расположен между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с другой стороны;- one passive antenna element is located between the active antenna element and the next active antenna element on the one hand and one passive antenna element is located between the active antenna element and the next active antenna element on the other side;
- один пассивный антенный элемент расположен между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с одной стороны и два пассивных антенных элемента расположены между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с другой стороны;- one passive antenna element is located between the active antenna element and the next active antenna element on the one hand, and two passive antenna elements are located between the active antenna element and the next active antenna element on the other side;
- два пассивных антенных элемента расположены между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с одной стороны и два пассивных антенных элемента расположены между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с другой стороны;- two passive antenna elements are located between the active antenna element and the next active antenna element on the one hand and two passive antenna elements are located between the active antenna element and the next active antenna element on the other side;
- один пассивный антенный элемент расположен между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с одной стороны и несколько пассивных антенных элементов расположены с другой стороны;- one passive antenna element is located between the active antenna element and the next active antenna element on the one hand and several passive antenna elements are located on the other side;
- два пассивных антенных элемента расположены между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с одной стороны и несколько пассивных антенных элементов расположены с другой стороны;- two passive antenna elements are located between the active antenna element and the next active antenna element on the one hand and several passive antenna elements are located on the other side;
причем вторая группа антенных элементов включает в себя несколько активных антенных элементов, а также пассивные антенные элементы, причем антенные элементы второй группы расположены таким образом, чтобы формировать диаграмму направленности излучения, имеющую выступ в центральной части диаграммы, т.е. в каждом ряду антенной решетки, содержащем антенные элементы второй группы, по меньшей мере два активных антенных элемента второй группы элементов расположены рядом без каких-либо пассивных антенных элементов между ними, причем, если первая группа содержит передающие антенные элементы в качестве активных антенных элементов, то вторая группа содержит приемные антенные элементы в качестве активных антенных элементов, и наоборот.moreover, the second group of antenna elements includes several active antenna elements, as well as passive antenna elements, and the antenna elements of the second group are arranged so as to form a radiation pattern having a protrusion in the Central part of the diagram, i.e. in each row of the antenna array containing the antenna elements of the second group, at least two active antenna elements of the second group of elements are adjacent without any passive antenna elements between them, and if the first group contains transmitting antenna elements as active antenna elements, then the second group contains receiving antenna elements as active antenna elements, and vice versa.
Активный антенный элемент - антенный элемент, имеющий согласованную электродинамическую связь (или фидерную связь) с приемником или передатчиком.Active antenna element - an antenna element having a coordinated electrodynamic connection (or feeder connection) with a receiver or transmitter.
Пассивный антенный элемент (также известный как вторичный излучатель) не имеет фидерной связи с приемником или передатчиком. Он может быть накоротко замкнут на землю (режим короткого замыкания), либо совсем не соединен с землей (режим холостого хода).A passive antenna element (also known as a secondary emitter) does not have feeder communication with a receiver or transmitter. It can be shorted to ground (short circuit mode), or not connected to earth at all (idle mode).
Согласно одному варианту осуществления антенной решетки в каждом ряду антенной решетки расстояние между фазовыми центрами элементов составляет , где λ - длина электромагнитной волны частотного диапазона активного антенного элемента.According to one embodiment of the antenna array in each row of the antenna array, the distance between the phase centers of the elements is where λ is the electromagnetic wavelength of the frequency range of the active antenna element.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки пассивные антенные элементы идентичны активным антенным элементам по типу антенных элементов и/или размеру.According to another embodiment of the antenna array, the passive antenna elements are identical to the active antenna elements in type of antenna elements and / or size.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки пассивные антенные элементы отличаются от активных антенных элементов, по меньшей мере, по типу антенных элементов и/или размеру.According to another embodiment of the antenna array, the passive antenna elements differ from the active antenna elements in at least the type of antenna elements and / or size.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки пассивные антенные элементы имеют различные размеры.According to another embodiment of the antenna array, the passive antenna elements have different sizes.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки к пассивным антенным элементам подключены элементы, в которых происходит набег фазы переизлучаемого сигнала.According to another embodiment of the antenna array, elements are connected to the passive antenna elements in which the phase of the re-emitted signal raids.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки активные антенные элементы и пассивные антенные элементы выбираются из группы, состоящей из следующего: патч-антенны, щелевые антенны, диполи.According to another embodiment of the antenna array, the active antenna elements and passive antenna elements are selected from the group consisting of the following: patch antennas, slot antennas, dipoles.
Настоящее изобретение обеспечивает простую и компактную антенную решетку MIMO с широким углом обзора и высоким разрешением.The present invention provides a simple and compact MIMO antenna array with a wide viewing angle and high resolution.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings, in which:
На фиг. 1 изображен принцип работы участка антенной решетки, содержащего излучающий антенный элемент и несколько пассивных элементов, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.In FIG. 1 shows the principle of operation of a portion of an antenna array containing a radiating antenna element and several passive elements, according to one embodiment of the present invention.
На фиг.2 продемонстрирован эффект добавления пассивных элементов к излучающему элементу.Figure 2 shows the effect of adding passive elements to the radiating element.
На фиг.3 изображены результаты моделирования диаграммы направленности излучения излучающего элемента и пассивных элементов.Figure 3 shows the simulation results of the radiation pattern of the emitting element and passive elements.
На фиг.4 изображены варианты осуществления различных конфигураций антенных элементов в антенной решетке.Figure 4 shows embodiments of various configurations of antenna elements in the antenna array.
На фиг.5 изображен принцип формирования итоговой диаграммы направленности антенной решетки MIMO.Figure 5 shows the principle of formation of the final radiation pattern of the antenna array MIMO.
На фиг.6 изображены варианты расположения активных антенных элементов и пассивных элементов в группе №1 элементов антенной решетки MIMO.Figure 6 shows the location options of the active antenna elements and passive elements in the group No. 1 of the elements of the antenna array MIMO.
На фиг.7 изображены примеры расположения элементов группы №2 элементов антенной решетки MIMO.Figure 7 shows examples of the location of the elements of group No. 2 of the elements of the antenna array MIMO.
На фиг.8 изображен пример компоновки части антенной решетки MIMO, содержащей элементы группы №1 и группы №2.On Fig shows an example of the layout of part of the MIMO antenna array containing elements of group No. 1 and group No. 2.
На фиг.9 изображены примеры диаграммы направленности излучения для элементов группы №1.Figure 9 shows examples of radiation patterns for elements of group No. 1.
На фиг.10 изображены примеры диаграммы направленности излучения для различных вариантов компоновки элементов группы №2.Figure 10 shows examples of radiation patterns for various layout options for elements of group No. 2.
На фиг.11 изображено формирование результирующей диаграммы направленности излучения элементами группы №1 и группы №2.Figure 11 shows the formation of the resulting radiation pattern by elements of group No. 1 and group No. 2.
На фиг.12 изображена возможная реализация антенной решетки MIMO (4Tx X 8Rx) в соответствии с настоящим изобретением.12 shows a possible implementation of a MIMO antenna array (4Tx X 8Rx) in accordance with the present invention.
На фиг.13 показана диаграмма направленности антенной решетки MIMO в соответствии с настоящим изобретением в различных диапазонах частот.On Fig shows the radiation pattern of the MIMO antenna array in accordance with the present invention in different frequency ranges.
Подробное описаниеDetailed description
Согласно настоящему изобретению FoV излучающего антенного элемента (также известного как первичный излучатель) увеличивается за счет добавления нескольких рядов пассивных антенных элементов (далее называемых пассивными элементами), идентичных излучающему антенному элементу (далее называемому излучающим элементом), причем расстояние между фазовыми центрами элементов составляет , где λ - длина электромагнитной волны частотного диапазона излучающего элемента (обычно равна , где соответствует минимальной частоте в полосе, а соответствует максимальной частоте в полосе).According to the present invention, the FoV of the radiating antenna element (also known as the primary radiator) is increased by adding several rows of passive antenna elements (hereinafter referred to as passive elements) identical to the radiating antenna element (hereinafter referred to as radiating element), the distance between the phase centers of the elements being where λ is the electromagnetic wavelength of the frequency range of the radiating element (usually equal where corresponds to the minimum frequency in the band, and corresponds to the maximum frequency in the band).
Использование пассивных элементов, идентичных излучающим элементам, позволяет унифицировать и упростить процесс производства как самих этих элементов, так и антенной решетки, содержащей эти элементы.The use of passive elements identical to radiating elements makes it possible to unify and simplify the production process of both these elements themselves and of the antenna array containing these elements.
В альтернативном случае пассивные элементы могут иметь форм-фактор, отличный от излучающего элемента.Alternatively, passive elements may have a form factor different from the radiating element.
Увеличение FoV достигается за счет отражения пассивными элементами части электромагнитной энергии, излучаемой излучающим элементом. Если расстояние , то разность фаз между пассивными элементами и излучающим элементом будет , где n=1, 2... 3 и обозначает ряд пассивного элемента. Таким образом, нечетные пассивные элементы будут действовать как противофазные элементы к излучающему элементу; а четные пассивные элементы будут действовать как синфазные элементы. Если пассивный элемент из n-го ряда переизлучает часть Pn электромагнитной энергии излучающего элемента, то амплитуда формы сигнала n-го ряда пассивных элементов может быть рассчитана как: An=Pn*A0, где A0 - амплитуда сигнала излучающего элемента.The increase in FoV is achieved due to the reflection by passive elements of a part of the electromagnetic energy emitted by the radiating element. If the distance , then the phase difference between the passive elements and the radiating element will be , where n = 1, 2 ... 3 and denotes the row of the passive element. Thus, the odd passive elements will act as antiphase elements to the radiating element; and even passive elements will act as in-phase elements. If a passive element from the nth row re-emits a part P n of the electromagnetic energy of the radiating element, then the amplitude of the waveform of the nth row of passive elements can be calculated as: A n = P n * A 0 , where A 0 is the signal amplitude of the radiating element.
В данном варианте осуществления рассматривается взаимодействие пассивных элементов с излучающим (передающим) антенным элементом, однако упомянутые пассивные элементы могут аналогичным образом функционировать и совместно с приемным антенным элементом.In this embodiment, the interaction of passive elements with a radiating (transmitting) antenna element is considered, however, said passive elements can similarly function in conjunction with a receiving antenna element.
Результирующая конфигурация (излучающие элементы+пассивные элементы) будет действовать как массив с 2N+1 элементами, в соответствии со следующей формулой:The resulting configuration (radiating elements + passive elements) will act as an array with 2N + 1 elements, in accordance with the following formula:
где Evlaa - суммарное поле виртуальной линейной антенной решетки (vlaa - Virtual Linear Antenna Array), A0 - амплитуда сигнала излучающего элемента, N - количество рядов пассивных элементов с одной стороны от излучающего элемента (2*N - общее количество пассивных элементов), n - номер пассивного элемента (причем n=1 для самого близко расположенного к активному элементу пассивного элемента), Pn - часть электромагнитной энергии излучающего элемента, переизлучаемая n-ым пассивным элементом; d - расстояние между фазовыми центрами элементов, ko - волновое число; ϕ - угловая координата диаграммы направленности элемента.where Evlaa is the total field of the virtual linear antenna array (vlaa - Virtual Linear Antenna Array), A 0 is the amplitude of the signal of the radiating element, N is the number of rows of passive elements on one side of the radiating element (2 * N is the total number of passive elements), n is the number of the passive element (and n = 1 for the passive element closest to the active element), P n is the part of the electromagnetic energy of the emitting element reradiated by the nth passive element; d is the distance between the phase centers of the elements, k o is the wave number; ϕ is the angular coordinate of the radiation pattern of the element.
Увеличение числа пассивных элементов приводит к увеличению FoV диаграммы направленности излучающего элемента и уменьшению колебания уровня усиления результирующего излучения в зависимости от угловой координаты диаграммы направленности.An increase in the number of passive elements leads to an increase in the FoV radiation pattern of the radiating element and to a decrease in the variation in the gain level of the resulting radiation depending on the angular coordinate of the radiation pattern.
Далее со ссылкой на фиг.2 продемонстрирован эффект добавления пассивных элементов к излучающему элементу.Next, with reference to FIG. 2, the effect of adding passive elements to the radiating element is demonstrated.
На фиг. 2а изображена диаграмма направленности излучения одного излучающего элемента. Пассивных элементов нет (N=0), поэтому излучающий элемент имеет стандартную диаграмму направленности одного антенного элемента, угол обзора которой составляет порядка ~80°.In FIG. 2a shows a radiation pattern of a single emitting element. There are no passive elements (N = 0), therefore, the radiating element has a standard radiation pattern of one antenna element, the viewing angle of which is of the order of ~ 80 °.
На фиг.2б изображена диаграмма направленности излучения в случае N=1. В этом случае по одному пассивному элементу (нечетные элементы) симметрично расположены с двух сторон от излучающего элемента. При этом:On figb shows the radiation pattern in the case of N = 1. In this case, one passive element (odd elements) are symmetrically located on both sides of the radiating element. Wherein:
Два пассивных элемента действуют как противофазные элементы для излучающего элемента и подавляют максимум диаграммы направленности излучения центрального излучающего элемента. Например, если P1=-15дБ, то результирующее излучение при угле 0° ухудшится на -2,45дБ, по сравнению со случаем, когда N=0. Однако, при этом угол обзора диаграммы направленности на уровне -3дБ увеличивается и достигает 120°.Two passive elements act as antiphase elements for the radiating element and suppress the maximum radiation pattern of the central radiating element. For example, if P 1 = -15dB, then the resulting radiation at an angle of 0 ° will deteriorate by -2.45 dB, compared with the case when N = 0. However, the angle of view of the radiation pattern at the level of -3dB increases and reaches 120 °.
На фиг.2в изображена диаграмма направленности излучения в случае N=2. В этом случае по два пассивных элемента (нечетные и четные элементы) симметрично расположены с двух сторон от излучающего элемента. При этом:Figure 2c shows the radiation pattern in the case of N = 2. In this case, two passive elements (odd and even elements) are symmetrically located on both sides of the radiating element. Wherein:
Два нечетных пассивных элемента действуют как противофазные элементы относительно излучающего элемента с амплитудой излучения P1, в то время как два четных пассивных элемента действуют как синфазные элементы с амплитудой излучения P2. Синфазные пассивные элементы будут компенсировать влияние противофазных пассивных элементов: увеличивать минимумы и подавлять максимумы излучения. Это приводит к большему расширению угла обзора вплоть до 130°.Two odd passive elements act as antiphase elements relative to a radiating element with an emission amplitude P 1 , while two even passive elements act as in-phase elements with an emission amplitude P 2 . Common-mode passive elements will compensate for the effect of out-of-phase passive elements: increase minima and suppress radiation maxima. This leads to a wider viewing angle up to 130 °.
На фиг.3 изображены результаты моделирования диаграммы направленности излучения излучающего элемента и пассивных элементов, когда n меняется от 1 до 6.Figure 3 shows the simulation results of the radiation pattern of the emitting element and passive elements when n varies from 1 to 6.
С увеличением количества пассивных элементов частота колебаний диаграммы направленности излучения становится выше, амплитуда колебаний уменьшается, а FoV при достижении определенного количества пассивных элементов практически перестает расширяться.With an increase in the number of passive elements, the frequency of oscillations of the radiation pattern becomes higher, the amplitude of the oscillations decreases, and FoV when it reaches a certain number of passive elements practically ceases to expand.
В примере, изображенном на фиг.3, когда n=0 (см. фиг.3а) FoV излучения излучающего элемента на уровне -3дБ составляет примерно 80°. В случае, когда n=1 (см. фиг.3б), FoV увеличивается до 122°. В случае, когда n=2 (см. фиг.3в), FoV увеличивается до 130°. В случае, когда n=3 (см. фиг.3г), FoV увеличивается до 136°. В случае, когда n=4 (см. фиг.3д), FoV увеличивается до 138°. Между случаями, когда n=5 и n=6 практически нет разницы, а FoV составляет около 140° (см. фиг.3е).In the example shown in FIG. 3, when n = 0 (see FIG. 3a), the FoV of the radiation of the radiating element at a level of -3dB is about 80 °. In the case where n = 1 (see FIG. 3b), the FoV increases to 122 °. In the case where n = 2 (see FIG. 3c), the FoV increases to 130 °. In the case where n = 3 (see FIG. 3d), the FoV increases to 136 °. In the case where n = 4 (see Fig. 3d), the FoV increases to 138 °. Between the cases when n = 5 and n = 6 there is practically no difference, and the FoV is about 140 ° (see Fig. 3e).
Результирующую диаграмму направленности антенной решетки получают путем сложения приведенных выше диаграмм направленности отдельных элементов.The resulting radiation pattern of the antenna array is obtained by adding the above radiation patterns of the individual elements.
В общем случае, формула для вычисления диаграммы направленности излучения излучающего элемента вместе с пассивными элементами принимает следующий вид:In general, the formula for calculating the radiation pattern of a radiating element together with passive elements takes the following form:
где индекс «+» обозначает пассивные элементы с левой стороны от излучающего элемента, а индекс «-» обозначает пассивные элементы с правой стороны, - коэффициент, который определяет часть излучаемой антенным элементом мощности, переизлучаемую n-ым пассивным элементом, - характерный размер пассивного элемента в азимутальном направлении, - расстояние между фазовыми центрами излучающего элемента и n-го пассивного элемента, - частота сигнала, - волновое сопротивление при частоте . Для пассивного элемента . Для соседнего излучающего элемента и он будет поглощать до 90% энергии.where the index "+" indicates passive elements on the left side of the radiating element, and the index "-" indicates passive elements on the right side, - a coefficient that determines the part radiated by the antenna element power reradiated by the n-th passive element, - the characteristic size of the passive element in the azimuthal direction, - the distance between the phase centers of the radiating element and the n-th passive element, - signal frequency, - wave impedance at a frequency . For passive element . For adjacent radiating element and it will absorb up to 90% of energy.
Стоит отметить, что если расстояние между фазовыми центрами соседних элементов будет отличаться от , то разность фаз между этими элементами будет отличаться от .It should be noted that if the distance between the phase centers of neighboring elements will differ from , then the phase difference between these elements will differ from .
В общем случае, управление and , например, посредством изменения размеров пассивных элементов, расстояния между пассивными элементами или частоты сигнала, позволяет регулировать результирующую диаграмму направленности излучения.In general, management and , for example, by changing the size of the passive elements, the distance between the passive elements or the signal frequency, allows you to adjust the resulting radiation pattern.
В зависимости от сценариев применения, конфигурация антенных элементов в антенной решетке может значительно различаться. Варианты осуществления различных конфигураций антенных элементов в антенной решетке изображены на фиг.4.Depending on the application scenarios, the configuration of the antenna elements in the antenna array can vary significantly. Embodiments of various configurations of antenna elements in the antenna array are shown in FIG. 4.
На фиг.4а изображена компоновка антенной решетки, содержащей ряд излучающих элементов, причем с двух сторон от каждого из излучающих элементов симметрично расположены пассивные элементы, идентичные излучающему элементу. Такая антенная решетка используется для увеличения коэффициента усиления и уменьшения FoV в направлении перпендикулярном направлению расширения FoV, т.е., например, в случае расширения FoV в горизонтальном направлении при использовании такой компоновки, FoV в вертикальном направлении сужается. Такая компоновка может применяться в автомобильных радарных системах, используемых для навигации.On figa shows the layout of the antenna array containing a number of radiating elements, and on both sides of each of the radiating elements symmetrically located passive elements identical to the radiating element. Such an antenna array is used to increase the gain and decrease FoV in the direction perpendicular to the direction of expansion of FoV, i.e., for example, in the case of expanding FoV in the horizontal direction using this arrangement, the FoV in the vertical direction narrows. This arrangement can be used in automotive radar systems used for navigation.
На фиг.4б изображена компоновка антенной решетки, содержащей один излучающий элемент, причем с двух сторон от излучающего элемента симметрично расположены пассивные элементы, причем пассивные элементы имеют различную ширину. Различная ширина пассивных элементов позволяет выравнивать результирующую диаграмму направленности излучения такой компоновки. При этом данная компоновка позволяет расширить FoV. Такая компоновка может применяться в устройствах связи (например, базовая станция стандарта связи 5G) или в автомобилях (при установке на внешний бампер).On figb shows the layout of the antenna array containing one radiating element, and on both sides of the radiating element symmetrically located passive elements, and passive elements have different widths. The various widths of the passive elements make it possible to align the resulting radiation pattern of such an arrangement. At the same time, this arrangement allows you to expand FoV. This arrangement can be used in communication devices (for example, a base station of the 5G communication standard) or in cars (when installed on an external bumper).
На фиг.4в изображена компоновка антенной решетки, содержащей ряд излучающих элементов, причем с двух сторон от каждого из излучающих элементов симметрично расположены пассивные элементы, причем пассивные элементы имеют различную ширину. Аналогично компоновке по фиг.4а, такая антенная решетка используется для увеличения коэффициента усиления и уменьшения FoV в направлении перпендикулярном направлению расширения FoV. Аналогично компоновке по фиг.4б, различная ширина пассивных элементов позволяет выравнивать результирующую диаграмму направленности излучения такой компоновки. Такая компоновка также может применяться в устройствах связи или в автомобилях.On figv shows the layout of the antenna array containing a number of radiating elements, and on both sides of each of the radiating elements symmetrically located passive elements, and passive elements have different widths. 4a, such an antenna array is used to increase the gain and decrease FoV in the direction perpendicular to the direction of expansion FoV. Similarly to the arrangement of FIG. 4b, the different widths of the passive elements allow alignment of the resulting radiation pattern of such an arrangement. This arrangement can also be used in communication devices or in cars.
На фиг.4г изображена компоновка антенной решетки, содержащей ряд излучающих элементов, причем с двух сторон от каждого из излучающих элементов симметрично расположены пассивные элементы, причем количество пассивных элементов для каждого излучающего элемента различно. Такая антенная решетка используется для увеличения коэффициента усиления и уменьшения FoV в направлении перпендикулярном направлению расширения FoV. При этом различное количество пассивных элементов позволяет обеспечивать различный FoV в зависимости от направления луча. Такая компоновка также может применяться в устройствах связи стандарта 5G или в автомобильной навигации.On Figg shows the layout of the antenna array containing a number of radiating elements, with passive elements symmetrically located on both sides of each of the radiating elements, and the number of passive elements for each radiating element is different. Such an antenna array is used to increase the gain and decrease FoV in the direction perpendicular to the direction of expansion FoV. Moreover, a different number of passive elements makes it possible to provide different FoV depending on the direction of the beam. This arrangement can also be used in 5G communication devices or in car navigation.
На фиг.4д изображена компоновка антенной решетки, содержащей один излучающий элемент, причем пассивные элементы расположены только с одной стороны от излучающего элемента. Это позволяет уменьшить размер антенной решетки в тех случаях, когда симметрия излучения не является важной. Такая компоновка может найти применение в устройствах связи стандарта 5G, например.On fig.4d shows the layout of the antenna array containing one radiating element, and passive elements are located only on one side of the radiating element. This allows you to reduce the size of the antenna array in cases where the symmetry of the radiation is not important. Such an arrangement may find application in communication devices of the 5G standard, for example.
На фиг.4е изображена компоновка антенной решетки, содержащей ряд излучающих элементов, причем пассивные элементы расположены только с одной стороны от излучающих элементов. При этом пассивные элементы могут иметь различную ширину. Альтернативно, пассивные элементы могут находиться с двух сторон от излучающих элементов, но при этом пассивные элементы с одной стороны от излучающего элемента отличаются от пассивных элементов с другой стороны от излучающего элемента. Такая компоновка позволяет регулировать диаграмму направленности излучения, а также увеличивать коэффициент усиления и уменьшать FoV в направлении перпендикулярном направлению расширения FoV. Такая компоновка может найти применение в устройствах связи стандарта 5G, например.Figure 4e shows the layout of an antenna array containing a series of radiating elements, the passive elements being located only on one side of the radiating elements. In this case, passive elements can have a different width. Alternatively, passive elements can be located on two sides of the radiating elements, but the passive elements on one side of the radiating element are different from passive elements on the other side of the radiating element. This arrangement allows you to adjust the radiation pattern, as well as increase the gain and reduce FoV in the direction perpendicular to the direction of expansion FoV. Such an arrangement may find application in communication devices of the 5G standard, for example.
Согласно одному из вариантов осуществления, излучающие элементы и пассивные элементы являются идентичными по типу антенных элементов и представляют собой, например, патч-антенны. Однако, согласно альтернативному варианту осуществления упомянутые элементы могут быть выполнены в виде щелевой антенны, диполя и т.д. Согласно еще одному варианту осуществления пассивные элементы могут быть выполнены отличающимися от излучающего элемента. При этом возможны различные комбинации таких элементов: патч-антенна в качестве излучающего элемента и щелевые антенны в качестве пассивных элементов, щелевая антенна в качестве излучающего элемента и патч-антенны в качестве пассивных элементов, диполь в качестве излучающего элемента и щелевые антенны в качестве пассивных элементов и т.д.According to one embodiment, the radiating elements and the passive elements are identical in type of antenna elements and are, for example, patch antennas. However, according to an alternative embodiment, said elements may be in the form of a slot antenna, dipole, etc. According to another embodiment, the passive elements may be made different from the radiating element. In this case, various combinations of such elements are possible: a patch antenna as a radiating element and slot antennas as passive elements, a slot antenna as a radiating element and a patch antenna as passive elements, a dipole as a radiating element and slot antennas as passive elements etc.
Согласно другому альтернативному варианту осуществления изобретения фазой сигнала, переизлучаемого пассивными элементами, можно управлять посредством подключения элементов, в которых происходит набег фазы, к упомянутым пассивным элементам. Длина таких элементов, в которых происходит набег фазы (полосковая линия, микрополосковая линия и т.д.), определяет фазу переизлучаемого сигнала.According to another alternative embodiment of the invention, the phase of the signal re-emitted by the passive elements can be controlled by connecting the elements in which the phase incurs to said passive elements. The length of such elements in which the phase incurs (strip line, microstrip line, etc.) determines the phase of the reradiated signal.
Антенная решетка MIMO состоит из двух групп элементов: группа №1, содержащая активные антенные элементы, обозначенные как T, и пассивные антенные элементы, а также группа №2, содержащая активные антенные элементы, обозначенные как R, и пассивные антенные элементы. Стоит отметить, что, если группа №1 содержит передатчики в качестве активных антенных элементов, то группа №2 содержит приемники в качестве активных антенных элементов, и наоборот.The MIMO antenna array consists of two groups of elements: group No. 1, containing active antenna elements, designated as T, and passive antenna elements, as well as group No. 2, containing active antenna elements, designated as R, and passive antenna elements. It should be noted that if group No. 1 contains transmitters as active antenna elements, then group No. 2 contains receivers as active antenna elements, and vice versa.
Огибающая сканирующего луча антенной решетки MIMO определяется в соответствии с уравнением (1). В соответствии с уравнением (1) итоговая диаграмма направленности (а, следовательно, и FoV) антенной решетки MIMO определяется как произведение суммы диаграмм направленности передающих элементов и суммы диаграмм направленности приемных элементов.The envelope of the scanning beam of the MIMO antenna array is determined in accordance with equation (1). In accordance with equation (1), the resulting radiation pattern (and, therefore, FoV) of the MIMO antenna array is defined as the product of the sum of the radiation patterns of the transmitting elements and the sum of the radiation patterns of the receiving elements.
В соответствии с конфигурацией антенной решетки MIMO, по меньшей мере, два антенных элемента R должны располагаться рядом. Два располагающихся рядом () активных элемента требуется, чтобы MIMO решетка функционировала согласно своему определению. При этом рядом стоящие активные элементы, не переизлучают, а поглощают излучение соседнего элемента на больших углах, то есть взаимно уменьшают (ослабляют) усиление на больших углах, формируя выступ в центре диаграммы направленности излучения и приводя к снижению FoV. Это означает, что каждый раз диаграмма направленности излучения элементов R будет иметь выступ в центре диаграммы, что снижает FoV. Для формирования широкого FoV требуется сформировать два типа диаграммы направленности от элементов T и R, причем диаграмма направленности элементов T должна иметь впадину в центре, а диаграмма направленности элементов R должна иметь выступ в центре (или наоборот). Геометрическое усреднение этих диаграмм направленности компенсирует выступ и впадину и увеличивает FoV (см. фиг.5).According to the configuration of the MIMO antenna array, at least two antenna elements R must be adjacent. Two adjacent ( ) active elements requires that the MIMO lattice function as defined. In this case, adjacent active elements do not reemit, but absorb the radiation of the neighboring element at large angles, i.e. mutually reduce (weaken) the gain at large angles, forming a protrusion in the center of the radiation pattern and leading to a decrease in FoV. This means that each time the radiation pattern of elements R will have a protrusion in the center of the diagram, which reduces FoV. To form a wide FoV, it is required to form two types of radiation patterns from the elements T and R, and the radiation pattern of the elements T must have a depression in the center, and the radiation pattern of the elements R must have a protrusion in the center (or vice versa). The geometric averaging of these radiation patterns compensates for the protrusion and the cavity and increases the FoV (see figure 5).
Для формирования такой широкой диаграммы направленности антенная решетка MIMO должна удовлетворять нескольким условиям:To form such a wide radiation pattern, the MIMO antenna array must satisfy several conditions:
1. Элементы группы №1 содержат несколько активных антенных элементов (передающих или приемных) и несколько пассивных элементов, причем расстояние между фазовыми центрами каждого активного антенного элемента и пассивных элементов составляет . Также между активными антенными элементами расположен по меньшей мере один пассивный элемент. При этом, каждый активный антенный элемент может характеризоваться посредством пяти вариантов (см. фиг.6):1. Elements of group No. 1 contain several active antenna elements (transmitting or receiving) and several passive elements, and the distance between the phase centers of each active antenna element and passive elements is . Also between the active antenna elements is at least one passive element. In this case, each active antenna element can be characterized by five options (see Fig.6):
- Вариант 1 (элемент типа «a»): один пассивный элемент расположен между активным антенным элементом и следующим (соседним) активным антенным элементом с одной стороны и один пассивный элемент расположен между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с другой стороны;- Option 1 (type “a” element): one passive element is located between the active antenna element and the next (adjacent) active antenna element on the one hand and one passive element is located between the active antenna element and the next active antenna element on the other hand;
- Вариант 2 (элемент типа «b»): один пассивный элемент расположен между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с одной стороны и два пассивных элемента расположены между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с другой стороны;- Option 2 (type “b” element): one passive element is located between the active antenna element and the next active antenna element on the one hand and two passive elements are located between the active antenna element and the next active antenna element on the other side;
- Вариант 3 (элемент типа «c»): два пассивных элемента расположены между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с одной стороны и два пассивных элемента расположены между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с другой стороны;- Option 3 (type “c” element): two passive elements are located between the active antenna element and the next active antenna element on the one hand and two passive elements are located between the active antenna element and the next active antenna element on the other side;
- Вариант 4 (элемент типа «d»): один пассивный элемент расположен между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с одной стороны и несколько пассивных элементов расположены с другой стороны (краевой случай);- Option 4 (element of type "d"): one passive element is located between the active antenna element and the next active antenna element on one side and several passive elements are located on the other side (edge case);
- Вариант 5 (элемент типа «e»): два пассивных элемента расположены между активным антенным элементом и следующим активным антенным элементом с одной стороны и несколько пассивных элементов расположены с другой стороны (краевой случай).- Option 5 (element of type “e”): two passive elements are located between the active antenna element and the next active antenna element on the one hand and several passive elements are located on the other side (edge case).
Такая компоновка элементов группы №1 обеспечивает формирование диаграммы направленности излучения элементов данной группы, имеющей впадину в центральной части диаграммы.This arrangement of the elements of group No. 1 provides the formation of a radiation pattern of the elements of this group having a depression in the central part of the diagram.
Стоит отметить, что для формирования широкой диаграммы направленности излучения в некоторой плоскости (в данном случае - в горизонтальной плоскости) важным является расположение антенных элементов в этой плоскости (их расположение в горизонтальном ряду антенной решетки). Относительное расположение антенных элементов в смежных рядах в первую очередь будет оказывать влияние на диаграмму направленности излучения вдоль других направлений. В данном случае этим можно пренебречь. Таким образом, в настоящем изобретении расположение антенных элементов в каждом горизонтальном ряду антенной решетки определяется только требуемой диаграммой направленности излучения этой антенной решетки в горизонтальной плоскости.It should be noted that for the formation of a wide radiation pattern in a certain plane (in this case, in the horizontal plane), it is important to place the antenna elements in this plane (their location in the horizontal row of the antenna array). The relative arrangement of antenna elements in adjacent rows will primarily affect the radiation pattern along other directions. In this case, this can be neglected. Thus, in the present invention, the location of the antenna elements in each horizontal row of the antenna array is determined only by the desired radiation pattern of this antenna array in the horizontal plane.
Например, для формирования широкого FoV группы №1 элементов возможны следующие комбинации приведенных выше вариантов:For example, to form a wide FoV group of No. 1 elements, the following combinations of the above options are possible:
- если Y=2, то d=2 и a, b, c, e =0;- if Y = 2, then d = 2 and a, b, c, e = 0;
- если Y=3, то b=d=e=1 и a, c =0;- if Y = 3, then b = d = e = 1 and a, c = 0;
- если Y≥4, то b≥1, c≥0, a≥0, 2≥d≥0, 2≥e≥0,- if Y≥4, then b≥1, c≥0, a≥0, 2≥d≥0, 2≥e≥0,
где Y - число активных антенных элементов в группе №1, и a, b, c, d, e - число элементов из Y, соответствующих вариантам 1, 2, 3, 4 и 5, соответственно.where Y is the number of active antenna elements in group No. 1, and a, b, c, d, e is the number of elements from Y corresponding to
2. Элементы группы №2 содержат несколько (≥2) активных антенных элементов (приемных или передающих) и несколько пассивных элементов, причем расстояние между центрами фаз каждого активного антенного элемента и пассивных элементов составляет . При этом по меньшей мере два активных антенных элемента расположены на расстоянии без каких-либо пассивных элементов между ними. Такая компоновка элементов группы №2 обеспечивает формирование диаграммы направленности излучения элементов данной группы, имеющей выступ в центральной части диаграммы.2. Elements of group No. 2 contain several (≥2) active antenna elements (receiving or transmitting) and several passive elements, and the distance between the phase centers of each active antenna element and passive elements is . At the same time, at least two active antenna elements are located at a distance without any passive elements between them. This arrangement of the elements of group No. 2 provides the formation of a radiation pattern of the elements of this group having a protrusion in the central part of the diagram.
Примеры расположения элементов группы №2 приведены на фиг.7.Examples of the arrangement of elements of group No. 2 are shown in Fig.7.
Один из вариантов компоновки части антенной решетки MIMO, содержащей элементы группы №1 и группы №2, показан на фиг.8. В данной компоновке Y=8: a=2; b=2; c=2; d=2; e=0.One of the layout options of the part of the MIMO antenna array containing elements of group No. 1 and group No. 2 is shown in Fig. 8. In this arrangement, Y = 8: a = 2; b is 2; c = 2; d = 2; e = 0.
Как видно из фиг.9 элементы группы №1, расположенные в соответствие с Вариантом 1, формируют диаграмму направленности, имеющую глубокую впадину в центре диаграммы. Элементы группы №1, расположенные в соответствие с Вариантом 2, в котором два пассивных элемента с одной стороны компенсируются одним пассивным элементом с другой стороны, формируют диаграмму направленности, имеющую ровный участок в центре диаграммы. Элементы группы №1, расположенные в соответствие с Вариантом 3, формируют диаграмму направленности, имеющую выступ в центре впадины диаграммы. Элементы, расположенные в соответствии с Вариантами 4 и 5, могут располагаться на краях антенной решетки и предпочтительно используются при малом количестве элементов Вариант 1 - Вариант 3 (<4).As can be seen from Fig.9, the elements of group No. 1, located in accordance with
Наилучшим вариантом компоновки элементов группы №1 является случай, когда количество элементов Варианта 1 равно количеству элементов Варианта 3 при любом количестве элементов Варианта 2.The best option for arranging elements of group No. 1 is the case when the number of elements in
Как видно из фиг.10 возможные варианты компоновки элементов группы №2 формируют диаграммы направленности излучения, имеющие выступ в центре диаграммы.As can be seen from figure 10, possible layout options for elements of group No. 2 form radiation patterns having a protrusion in the center of the diagram.
Как видно из фиг.11, результирующая диаграмма направленности формируется из диаграммы направленности элементов группы №1, имеющей впадину, и диаграммы направленности элементов группы №2, имеющей выступ. При этом, результирующая диаграмма направленности имеет широкий FoV.As can be seen from Fig. 11, the resulting radiation pattern is formed from the radiation pattern of the elements of group No. 1 having a depression and the radiation pattern of the elements of the group No. 2 having a protrusion. In this case, the resulting radiation pattern has a wide FoV.
На фиг.12 изображена возможная реализация антенной решетки MIMO (4Tx X 8Rx), в соответствии с настоящим изобретением.12 shows a possible implementation of a MIMO antenna array (4Tx X 8Rx), in accordance with the present invention.
Настоящее изобретение может использоваться в широком диапазоне частот. Например, при использовании в автомобильных радарных системах в режимах SRR (77-81ГГц), MRR I (77-79ГГц), MRR II (79-81 ГГц) антенная решетка MIMO в соответствии с настоящим изобретением демонстрирует увеличение FoV примерно до 140° (см. фиг.13).The present invention can be used in a wide frequency range. For example, when used in automotive radar systems in the SRR (77-81 GHz), MRR I (77-79 GHz), MRR II (79-81 GHz) modes, the MIMO antenna array in accordance with the present invention exhibits an FoV increase of up to about 140 ° (cm Fig. 13).
Настоящее изобретение осуществляется в рамках стандартной технологии PCB, т.е. широкоугольная антенная решетка MIMO в соответствии с настоящим изобретением реализуется на верхнем слое PCB, не требуя использования дополнительных элементов (линз и т.д.) для расширения FoV и не вызывая усложнение конструкции по сравнению с традиционной PCB.The present invention is implemented within the framework of standard PCB technology, i.e. the wide-angle MIMO antenna array in accordance with the present invention is implemented on the upper layer of the PCB, without requiring the use of additional elements (lenses, etc.) to expand the FoV and without causing structural complexity compared to a conventional PCB.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает простую, компактную и недорогую антенную решетку MIMO с широким углом обзора и высоким разрешением.Thus, the present invention provides a simple, compact and inexpensive MIMO antenna array with a wide viewing angle and high resolution.
Антенные решетки MIMO согласно настоящему изобретению могут найти применение в радарных системах транспортных средств, в том числе автономных транспортных средств, используемых для навигации. Стоит отметить, что одна антенная решетка MIMO в соответствии с настоящим изобретением, имеющая FoV около 140° может заменить две традиционные антенные решетки, имеющие FoV около 90° каждая и используемые в настоящее время в транспортных средствах для обнаружения объектов впереди (или сзади) транспортного средства. Таким образом, общее число радаров в транспортных средствах может быть снижено, что влечет за собой снижение потребляемой мощности, упрощение процесса установки и настройки и т.д.MIMO antenna arrays according to the present invention can find application in radar systems of vehicles, including autonomous vehicles used for navigation. It is worth noting that one MIMO antenna array in accordance with the present invention having an FoV of about 140 ° can replace two traditional antenna arrays having an FoV of about 90 ° each and currently used in vehicles for detecting objects in front (or behind) of a vehicle . Thus, the total number of radars in vehicles can be reduced, which entails a reduction in power consumption, simplification of the installation and adjustment process, etc.
Кроме того, настоящее изобретение может использоваться в системах беспроводной связи перспективных стандартов 5G и WiGig, а также в IoT (Internet of Things - «Интернет вещей»). При этом настоящее изобретение может использоваться как в базовых станциях, так и в антеннах мобильных терминалов. В этом случае настоящее изобретение обеспечивает возможность создания ультраширокоугольной базовой станции.In addition, the present invention can be used in wireless communication systems of promising 5G and WiGig standards, as well as in IoT (Internet of Things - “Internet of Things”). Moreover, the present invention can be used both in base stations and in antennas of mobile terminals. In this case, the present invention provides the possibility of creating an ultra-wide-angle base station.
При использовании в робототехнике можно использовать предложенную антенную решетку для обнаружения/избежания препятствий.When used in robotics, you can use the proposed antenna array to detect / avoid obstacles.
Настоящее изобретение также может найти применение в системах беспроводной передачи мощности, таких как LWPT (long-distance wireless power transfer) всех типов: наружных/внутренних, автомобильных, мобильных и т.д. При этом обеспечивается высокая эффективность передачи мощности при любых сценариях.The present invention may also find application in wireless power transmission systems such as LWPT (long-distance wireless power transfer) of all types: external / internal, automobile, mobile, etc. This ensures high power transmission efficiency in any scenario.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций.It should be understood that although in this document to describe various elements, components, areas, layers and / or sections, terms such as "first", "second", "third" and the like can be used, these elements, components , areas, layers and / or sections should not be limited to these terms. These terms are used only to distinguish one element, component, region, layer or section from another element, component, region, layer or section. Thus, a first element, component, region, layer or section may be called a second element, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention. In the present description, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the corresponding items listed.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.The functionality of the element indicated in the description or claims as a single element can be implemented in practice through several components of the device, and vice versa, the functionality of the elements indicated in the description or claims as several separate elements can be implemented in practice through a single component.
Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления. Специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.Embodiments of the present invention are not limited to the embodiments described herein. Specialist in the field of technology based on the information set forth in the description and knowledge of the prior art will become apparent and other embodiments of the invention, not beyond the essence and scope of this invention.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.The elements mentioned in the singular do not exclude the plurality of elements, unless specifically indicated otherwise.
Специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютере либо комбинации вышеозначенного.One skilled in the art will appreciate that the spirit of the invention is not limited to a particular software or hardware implementation, and therefore, any software and hardware known in the art may be used to implement the invention. So hardware can be implemented in one or more specialized integrated circuits, digital signal processors, digital signal processing devices, programmable logic devices, user programmable gate arrays, processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, electronic devices, and other electronic modules configured to carry out the functions described in this document, a computer or a combination of the above.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.Although exemplary embodiments have been described and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are merely illustrative and not intended to limit the broader invention, and that the present invention should not be limited to the particular arrangements and structures shown and described, since various other modifications may be apparent to those skilled in the art.
Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также варианты осуществления, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.The features mentioned in the various dependent claims, as well as the embodiments disclosed in various parts of the description, can be combined to achieve beneficial effects, even if the possibility of such a combination is not explicitly disclosed.
Claims (17)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018139881A RU2695934C1 (en) | 2018-11-13 | 2018-11-13 | Mimo antenna array with wide viewing angle |
KR1020190104540A KR102672496B1 (en) | 2018-11-13 | 2019-08-26 | Mimo antenna array with wide field of view |
US16/682,223 US11509073B2 (en) | 2018-11-13 | 2019-11-13 | MIMO antenna array with wide field of view |
US17/981,618 US20230055599A1 (en) | 2018-11-13 | 2022-11-07 | Mimo antenna array with wide field of view |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018139881A RU2695934C1 (en) | 2018-11-13 | 2018-11-13 | Mimo antenna array with wide viewing angle |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2695934C1 true RU2695934C1 (en) | 2019-07-29 |
Family
ID=67586587
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018139881A RU2695934C1 (en) | 2018-11-13 | 2018-11-13 | Mimo antenna array with wide viewing angle |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102672496B1 (en) |
RU (1) | RU2695934C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2728517C1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-07-30 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Array of high-resolution mimo receiving and transmitting elements for robot navigation |
RU219006U1 (en) * | 2023-01-10 | 2023-06-21 | ООО "3Д Навигация" | Compact antenna for satellite communication systems |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2622483C1 (en) * | 2016-01-11 | 2017-06-15 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Mobile device with phased antenna array of the outground wave |
US20170309997A1 (en) * | 2016-04-25 | 2017-10-26 | Uhnder, Inc. | Vehicle radar system using shaped antenna patterns |
US20170331178A1 (en) * | 2016-05-10 | 2017-11-16 | Cubtek Inc. | Wide beam antenna structure |
US20180159244A1 (en) * | 2016-12-02 | 2018-06-07 | Archit Lens Technology Inc. | Retro-directive Quasi-Optical System |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130057432A1 (en) * | 2011-09-02 | 2013-03-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and apparatus for beam broadening for phased antenna arrays using multi-beam sub-arrays |
KR20160081756A (en) * | 2014-12-30 | 2016-07-08 | 한국전자통신연구원 | A control device for multiplexing antenna and a beam forming device comprising thereof |
-
2018
- 2018-11-13 RU RU2018139881A patent/RU2695934C1/en active
-
2019
- 2019-08-26 KR KR1020190104540A patent/KR102672496B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2622483C1 (en) * | 2016-01-11 | 2017-06-15 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Mobile device with phased antenna array of the outground wave |
US20170309997A1 (en) * | 2016-04-25 | 2017-10-26 | Uhnder, Inc. | Vehicle radar system using shaped antenna patterns |
US20170331178A1 (en) * | 2016-05-10 | 2017-11-16 | Cubtek Inc. | Wide beam antenna structure |
US20180159244A1 (en) * | 2016-12-02 | 2018-06-07 | Archit Lens Technology Inc. | Retro-directive Quasi-Optical System |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2728517C1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-07-30 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Array of high-resolution mimo receiving and transmitting elements for robot navigation |
RU219006U1 (en) * | 2023-01-10 | 2023-06-21 | ООО "3Д Навигация" | Compact antenna for satellite communication systems |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR102672496B1 (en) | 2024-06-07 |
KR20200055646A (en) | 2020-05-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106876982B (en) | Supersurface for improving performance of multi-antenna system and multi-antenna system using same | |
CN105226400B (en) | Broadband dual-polarization phased array antenna and full-polarization beam forming method | |
KR101518429B1 (en) | Antenna array for ultra wide band radar applications | |
JP2018129623A (en) | Module, radio communication device, and radar device | |
US11121461B2 (en) | Antenna device | |
JP5619705B2 (en) | Antenna device | |
TWI497827B (en) | Antenna and array antenna | |
JP2001111336A (en) | Microstrip array antenna | |
KR20200103842A (en) | Antenna elements and antenna arrays | |
CN107968267B (en) | Multi-beam end-fire antenna | |
CN210224293U (en) | Fixed fan-shaped wave beam CTS array antenna | |
US8773318B2 (en) | System of multi-beam antennas | |
KR101803208B1 (en) | Beamfoaming anttena using single radiator multi port | |
JP6456716B2 (en) | Antenna unit | |
Wang et al. | Design of S/X-band dual-loop shared-aperture 2× 2 array antenna | |
CN109546356B (en) | Inverted L-shaped printed oscillator antenna array device based on hybrid feed network | |
CN113659325B (en) | Integrated substrate gap waveguide array antenna | |
JPH1117438A (en) | Wide band antenna array | |
CN111276799B (en) | Radar antenna device and optimization method | |
RU2695934C1 (en) | Mimo antenna array with wide viewing angle | |
CN110429376B (en) | Antenna unit, antenna array and antenna | |
CN117060079A (en) | Programmable double circular polarization super-surface reflection array | |
US10804600B2 (en) | Antenna and radiator configurations producing magnetic walls | |
US20220416443A1 (en) | Array antenna apparatus and preparation method therefor, and electronic device | |
KR20170056230A (en) | A microstrip antenna and an apparatus for transmitting and receiving radar signal with the antenna |