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毫米波雷達組件#3

發布時間:2023-04-07作者來源:金航標瀏覽:1574

    上期介紹的大陸ARS4-B,PCB上加載的EBG結構,由于時間關系沒有做詳細仿真驗證。本期經過仿真,發現如果按照上文大陸ARS4-B雷達天線淺析中的EBG單元尺寸設計,散射參數會有些偏差,將結果仿出來和大家一起討論,看原是否有其他特殊的設計用意?


回顧一下EBG結構抑制表面波原理:表面波沿著有限大小的導體表面上沿著交匯面傳播,當遇到不連續的兩種結構和表面時,就容易產生輻射。很多結構都會產生表面波傳輸,在毫米波雷達領域,PCB表面存在不同的介質層、缺陷地結構以及周期性的結構邊緣,都容易產生表面波;因而在使用微帶天線時,受到表面波的影響,天線向外輻射的能量會減小,從而導致天線輻射效率降低。若表面波的傳播路徑沒有得到隔斷,還會引發散斑效應和多徑效應,使得沿主方向輻射的能量分散,這也是天線方位圖抖動(產生紋波)的最主要原因。,同時對天線進行組陣設計時,天線單元之間的表面波流動和交互則會引起互耦,拉低天線這件的隔離度、惡化旁瓣電平以及增加交叉極化的強度。
表面波的主要特性是能量會沿著導體或介質的表面流動,而在導體或介質表面的垂直方向上則會隨著離表面的距離而以指數速度衰減。表面波與其他電導體輻射出的電磁波一樣,對應的電場能夠向外傳播很遠。表面波按波型可以分為兩種:即TE模與TM 模。假設結構的阻帶中心頻率為f0,當f<f0時, EBG結構表面能夠傳播TM模表面波,而且傳播的TM 模表面波沒有截止頻率。當f>f0,EBG結構表面能夠傳播TE模表面波。而在f=f0的條件下,在 EBG 結構的表面TM模和TE模都無法傳播,這也就是表面波的抑止原理,即當處于諧振頻率周圍時,EBG 結構的表面將使 TM 模和 TE模都無法傳播,這個頻帶就叫做的電磁帶隙(Band Gap)。[1]羅群,基于EBG結構的高頻和多頻天線性能研究[M]. 北京: 北京郵電大學,2013。

1.建模

根據單元結構特性,選擇Project template –Microwaves &RF/Optical-Periodic Structure._FSS,Matematerila –Unit cell-dispersion diagram.(Rectangular lattice 90degree)-Engenmode.根據單元尺寸建立模型。

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模板選擇

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單元結構

對Background 選項里對Upper Z Distance做梯度驗證,理論上應最小保證四分之一個工作波長。

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不同Z distance的仿真結果

根據上圖的尺寸,仿真得到的禁帶區域為小于50GHz,和天線的工作頻段不相符合。見下圖

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修改單元尺寸,得到不同模式的散射曲線。隨著尺寸的減小,單元結構的[敏感詞]工作模式是往上偏移的。也可以從等效電路上觀察,因為電路的諧振頻率是反比于√LC 。

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Mode1

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Mode2

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EBG結構及等效電路

優化后的單元結構如下,此時擁有比較寬的電磁禁帶。

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將結構導入到間距半波長的兩個發射天線中,觀察隔離度。

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天線加載不同EBG結構的隔離度

總結:從仿真結果來看,原始雷達上的單元結構偏大,若用邊長為0.95mm的貼片單元,阻帶頻率范圍較低,無法起到76G的信號屏蔽效果。而將尺寸減小到0.48mm,可實現55~90GHz左右的電磁禁帶,代入到陣列結構中可實現隔離度的優化。

從本質上來說,EBG結構的用途就是阻斷某頻段的電磁波傳播路徑,從而實現陣列性能的提升,對于原設計的單元尺寸是否考慮了高次模的影響尚需驗證。






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