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技術(shù)應(yīng)用

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技術(shù)應(yīng)用
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毫米波雷達(dá)組件#3

發(fā)布時(shí)間:2023-04-07作者來(lái)源:金航標(biāo)瀏覽:1296

    上期介紹的大陸ARS4-B,PCB上加載的EBG結(jié)構(gòu),由于時(shí)間關(guān)系沒(méi)有做詳細(xì)仿真驗(yàn)證。本期經(jīng)過(guò)仿真,發(fā)現(xiàn)如果按照上文大陸ARS4-B雷達(dá)天線淺析中的EBG單元尺寸設(shè)計(jì),散射參數(shù)會(huì)有些偏差,將結(jié)果仿出來(lái)和大家一起討論,看原是否有其他特殊的設(shè)計(jì)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?,?dāng)遇到不連續(xù)的兩種結(jié)構(gòu)和表面時(shí),就容易產(chǎn)生輻射。很多結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生表面波傳輸,在毫米波雷達(dá)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(shí),受到表面波的影響,天線向外輻射的能量會(huì)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(huì)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(dòng)(產(chǎn)生紋波)的最主要原因。,同時(shí)對(duì)天線進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)時(shí),天線單元之間的表面波流動(dòng)和交互則會(huì)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(qiáng)度。
表面波的主要特性是能量會(huì)沿著導(dǎo)體或介質(zhì)的表面流動(dòng),而在導(dǎo)體或介質(zhì)表面的垂直方向上則會(huì)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(duì)應(yīng)的電場(chǎng)能夠向外傳播很遠(yuǎn)。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(dāng)f<f0時(shí), 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(méi)有截止頻率。當(dāng)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(wú)法傳播,這也就是表面波的抑止原理,即當(dāng)處于諧振頻率周圍時(shí),EBG 結(jié)構(gòu)的表面將使 TM 模和 TE模都無(wú)法傳播,這個(gè)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(duì)Background 選項(xiàng)里對(duì)Upper Z Distance做梯度驗(yàn)證,理論上應(yīng)最小保證四分之一個(gè)工作波長(zhǎng)。

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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?yàn)樾∮?0GHz,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?yàn)殡娐返闹C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(shí)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(zhǎng)的兩個(gè)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(lái)看,原始雷達(dá)上的單元結(jié)構(gòu)偏大,若用邊長(zhǎng)為0.95mm的貼片單元,阻帶頻率范圍較低,無(wú)法起到76G的信號(hào)屏蔽效果。而將尺寸減小到0.48mm,可實(shí)現(xiàn)55~90GHz左右的電磁禁帶,代入到陣列結(jié)構(gòu)中可實(shí)現(xiàn)隔離度的優(yōu)化。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),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(shí)現(xiàn)陣列性能的提升,對(duì)于原設(shè)計(jì)的單元尺寸是否考慮了高次模的影響尚需驗(yàn)證。






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