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技術(shù)應(yīng)用

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技術(shù)應(yīng)用

毫米波雷達組件#3

發(fā)布時間:2023-04-07作者來源:金航標瀏覽:1598

    上期介紹的大陸ARS4-B,PCB上加載的EBG結(jié)構(gòu),由于時間關(guān)系沒有做詳細仿真驗證。本期經(jīng)過仿真,發(fā)現(xiàn)如果按照上文大陸ARS4-B雷達天線淺析中的EBG單元尺寸設(shè)計,散射參數(shù)會有些偏差,將結(jié)果仿出來和大家一起討論,看原是否有其他特殊的設(shè)計用意?


回顧一下EBG結(jié)構(gòu)抑制表面波原理:表面波沿著有限大小的導(dǎo)體表面上沿著交匯面?zhèn)鞑?,當遇到不連續(xù)的兩種結(jié)構(gòu)和表面時,就容易產(chǎn)生輻射。很多結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生表面波傳輸,在毫米波雷達領(lǐng)域,PCB表面存在不同的介質(zhì)層、缺陷地結(jié)構(gòu)以及周期性的結(jié)構(gòu)邊緣,都容易產(chǎn)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(dǎo)致天線輻射效率降低。若表面波的傳播路徑?jīng)]有得到隔斷,還會引發(fā)散斑效應(yīng)和多徑效應(yīng),使得沿主方向輻射的能量分散,這也是天線方位圖抖動(產(chǎn)生紋波)的最主要原因。,同時對天線進行組陣設(shè)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(dǎo)體或介質(zhì)的表面流動,而在導(dǎo)體或介質(zhì)表面的垂直方向上則會隨著離表面的距離而以指數(shù)速度衰減。表面波與其他電導(dǎo)體輻射出的電磁波一樣,對應(yīng)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(shè)結(jié)構(gòu)的阻帶中心頻率為f0,當f<f0時, EBG結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面能夠傳播TE模表面波。而在f=f0的條件下,在 EBG 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的高頻和多頻天線性能研究[M]. 北京: 北京郵電大學(xué),2013。

1.建模

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

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模板選擇

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單元結(jié)構(gòu)

對Background 選項里對Upper Z Distance做梯度驗證,理論上應(yīng)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(jié)果

根據(jù)上圖的尺寸,仿真得到的禁帶區(qū)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及等效電路

優(yōu)化后的單元結(jié)構(gòu)如下,此時擁有比較寬的電磁禁帶。

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將結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到間距半波長的兩個發(fā)射天線中,觀察隔離度。

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天線加載不同EBG結(jié)構(gòu)的隔離度

總結(jié):從仿真結(jié)果來看,原始雷達上的單元結(jié)構(gòu)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(xiàn)55~90GHz左右的電磁禁帶,代入到陣列結(jié)構(gòu)中可實現(xiàn)隔離度的優(yōu)化。

從本質(zhì)上來說,EBG結(jié)構(gòu)的用途就是阻斷某頻段的電磁波傳播路徑,從而實現(xiàn)陣列性能的提升,對于原設(shè)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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