АНТЕННАЯ РЕШЕТКА MIMO С ШИРОКИМ УГЛОМ ОБЗОРА
MIMO ANTENNA ARRAY WITH WIDE VIEWING ANGLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к широкоугольной сканирующей антенной решетке MIMO.
Уровень техники
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.
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.
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.
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.
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.
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:
θ
где  и  - диаграмма направленности излучения каждого из N передатчиков и каждого из М приемников, -угол направления на объект в азимутальной плоскости.
Боковыми лепестками являются лепестки (локальные максимумы) диаграммы направленности дальнего поля, которые не являются основным лепестком
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.
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.
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.
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.
Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании простой, компактной и недорогой антенной решетки MIMO, имеющей широкий угол обзора и высокое разрешение.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.
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:
- 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;
- 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;
- 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;
- 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;
- 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;
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.
Активный антенный элемент - антенный элемент, имеющий согласованную электродинамическую связь (или фидерную связь) с приемником или передатчиком.
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).
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.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки пассивные антенные элементы идентичны активным антенным элементам по типу антенных элементов и/или размеру.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки пассивные антенные элементы отличаются от активных антенных элементов, по меньшей мере, по типу антенных элементов и/или размеру.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки пассивные антенные элементы имеют различные размеры.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки к пассивным антенным элементам подключены элементы, в которых происходит набег фазы переизлучаемого сигнала.
Согласно другому варианту осуществления антенной решетки активные антенные элементы и пассивные антенные элементы выбираются из группы, состоящей из следующего: патч-антенны, щелевые антенны, диполи.
Настоящее изобретение обеспечивает простую и компактную антенную решетку MIMO с широким углом обзора и высоким разрешением.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
На фиг. 1 изображен принцип работы участка антенной решетки, содержащего излучающий антенный элемент и несколько пассивных элементов, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 продемонстрирован эффект добавления пассивных элементов к излучающему элементу.
На фиг.3 изображены результаты моделирования диаграммы направленности излучения излучающего элемента и пассивных элементов.
На фиг.4 изображены варианты осуществления различных конфигураций антенных элементов в антенной решетке.
На фиг.5 изображен принцип формирования итоговой диаграммы направленности антенной решетки MIMO.
На фиг.6 изображены варианты расположения активных антенных элементов и пассивных элементов в группе №1 элементов антенной решетки MIMO.
На фиг.7 изображены примеры расположения элементов группы №2 элементов антенной решетки MIMO.
На фиг.8 изображен пример компоновки части антенной решетки MIMO, содержащей элементы группы №1 и группы №2.
На фиг.9 изображены примеры диаграммы направленности излучения для элементов группы №1.
На фиг.10 изображены примеры диаграммы направленности излучения для различных вариантов компоновки элементов группы №2.
На фиг.11 изображено формирование результирующей диаграммы направленности излучения элементами группы №1 и группы №2.
На фиг.12 изображена возможная реализация антенной решетки MIMO (4Tx X 8Rx) в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.13 показана диаграмма направленности антенной решетки MIMO в соответствии с настоящим изобретением в различных диапазонах частот.
Подробное описание
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).
Использование пассивных элементов, идентичных излучающим элементам, позволяет унифицировать и упростить процесс производства как самих этих элементов, так и антенной решетки, содержащей эти элементы.
В альтернативном случае пассивные элементы могут иметь форм-фактор, отличный от излучающего элемента.
n
n
n
0
0
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 P электромагнитной энергии излучающего элемента, то амплитуда формы сигнала n-го ряда пассивных элементов может быть рассчитана как: A=P*A, где A - амплитуда сигнала излучающего элемента.
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.
Результирующая конфигурация (излучающие элементы+пассивные элементы) будет действовать как массив с 2N+1 элементами, в соответствии со следующей формулой:
Evlaa
0
n
o
где - суммарное поле виртуальной линейной антенной решетки (vlaa - Virtual Linear Antenna Array), A - 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), P - часть электромагнитной энергии излучающего элемента, переизлучаемая n-ым пассивным элементом; d - расстояние между фазовыми центрами элементов, k - волновое число; ϕ - угловая координата диаграммы направленности элемента.
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.
Далее со ссылкой на фиг.2 продемонстрирован эффект добавления пассивных элементов к излучающему элементу.
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°.
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:
1
Два пассивных элемента действуют как противофазные элементы для излучающего элемента и подавляют максимум диаграммы направленности излучения центрального излучающего элемента. Например, если P=-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°.
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:
1
2
Два нечетных пассивных элемента действуют как противофазные элементы относительно излучающего элемента с амплитудой излучения P, в то время как два четных пассивных элемента действуют как синфазные элементы с амплитудой излучения P. 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°.
На фиг.3 изображены результаты моделирования диаграммы направленности излучения излучающего элемента и пассивных элементов, когда n меняется от 1 до 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.
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).
Результирующую диаграмму направленности антенной решетки получают путем сложения приведенных выше диаграмм направленности отдельных элементов.
В общем случае, формула для вычисления диаграммы направленности излучения излучающего элемента вместе с пассивными элементами принимает следующий вид:
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.
Стоит отметить, что если расстояние между фазовыми центрами соседних элементов будет отличаться от , то разность фаз между этими элементами будет отличаться от .
В общем случае, управление  and , например, посредством изменения размеров пассивных элементов, расстояния между пассивными элементами или частоты сигнала, позволяет регулировать результирующую диаграмму направленности излучения.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
Для формирования такой широкой диаграммы направленности антенная решетка MIMO должна удовлетворять нескольким условиям:
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):
- 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;
- 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;
- 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;
- 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);
- 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).
Такая компоновка элементов группы №1 обеспечивает формирование диаграммы направленности излучения элементов данной группы, имеющей впадину в центральной части диаграммы.
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.
Например, для формирования широкого FoV группы №1 элементов возможны следующие комбинации приведенных выше вариантов:
- если Y=2, то d=2 и a, b, c, e =0;
- если Y=3, то b=d=e=1 и a, c =0;
- если Y≥4, то 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.
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.
Примеры расположения элементов группы №2 приведены на фиг.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.
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).
Наилучшим вариантом компоновки элементов группы №1 является случай, когда количество элементов Варианта 1 равно количеству элементов Варианта 3 при любом количестве элементов Варианта 2.
Как видно из фиг.10 возможные варианты компоновки элементов группы №2 формируют диаграммы направленности излучения, имеющие выступ в центре диаграммы.
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.
На фиг.12 изображена возможная реализация антенной решетки MIMO (4Tx X 8Rx), в соответствии с настоящим изобретением.
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).
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.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает простую, компактную и недорогую антенную решетку MIMO с широким углом обзора и высоким разрешением.
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.
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.
При использовании в робототехнике можно использовать предложенную антенную решетку для обнаружения/избежания препятствий.
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.
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.
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.
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.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
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.
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.
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.