基于相控电磁表面的W波段雷达系统研究

吴优; 息荣艳; 潘笑天; 杨帆; 刘一民; 黄天耀; 许慎恒; 李懋坤

doi:10.12000/JR21041

基于相控电磁表面的W波段雷达系统研究

DOI: 10.12000/JR21041

清华大学电子工程系北京 100084

基金项目: 国家自然科学基金(61801258)

详细信息

作者简介:
吴　优(1994–)，男，安徽人，清华大学电子工程系博士研究生，主要研究方向为可重构天线、太赫兹天线等。E-mail: wuy19@mails.tsinghua.edu.cn

息荣艳(1995–)，女，河北人，清华大学电子工程系博士研究生，主要研究方向为超宽带前视成像、雷达信号处理。E-mail: xiry17@mails.tsinghua.edu.cn

潘笑天(1991–)，男，河南人，2020年从清华大学电子工程系获得博士学位，研究方向为可重构反射/透射阵列、太赫兹波束扫描天线以及成像应用。E-mail: xtpan@outlook.com

杨　帆(1975–)，男，湖北人，清华大学电子工程系教授，主要研究方向为现代天线理论、设计与测量，新型电磁材料的探索和应用，电磁场数值算法与优化，应用电磁系统的研究与开发等。E-mail: fan_yang@tsinghua.edu.cn

刘一民(1983–)，男，重庆人，清华大学电子工程系副教授，主要研究方向为雷达系统、雷达抗干扰、一体化系统、智能交通、智能感知、统计信号处理等。E-mail: yiminliu@tsinghua.edu.cn

黄天耀(1989–)，男，江西人，清华大学电子工程系助理研究员，主要研究方向为雷达信号处理、通信雷达一体化、压缩感知。E-mail: huangtianyao@tsinghua.edu.cn

许慎恒(1978–)，男，江苏人，清华大学电子工程系副研究员，主要研究方向为新型应用系统中的高增益天线设计、人工电磁结构、电磁场与天线理论以及优化算法研究和应用。E-mail: shxu@tsinghua.edu.cn

李懋坤(1979–)，男，辽宁人，清华大学电子工程系副教授，主要研究方向为电磁场理论与计算电磁学、特别是电磁建模与数据反演快速算法及其在地球物理，生物医学等领域的应用。E-mail: maokunli@tsinghua.edu.cn

通讯作者:
杨帆 fan_yang@tsinghua.edu.cn

责任主编：张安学 Corresponding Editor: ZHANG Anxue
中图分类号: TN95
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2021-03-29
- 修回日期: 2021-04-24
- 网络出版日期: 2021-04-28

Research on a Phased Electromagnetic Surface-based W-band Radar System

Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61801258)

More Information

Corresponding author: YANG Fan, fan_yang@tsinghua.edu.cn

摘要

摘要: 该文将介绍一种W波段相控电磁表面雷达系统。这种工作在92～96 GHz的相控电磁表面天线，仅利用普通的印刷电路板(PCB)加工工艺及加工精度要求，通过合理的单元设计，可以控制掺杂本征材料的二极管(PIN)实现电流翻转，能轻便地、低成本地在W波段保证稳定的180°调相效果。进一步通过输入合适的空间编码，相控电磁表面天线可以形成具有不同指向的波束。这种具有空间波束扫描能力的透射型相控电磁表面天线，用作雷达系统的接收天线。该文提出的W波段相控电磁表面雷达系统及其加工和测试结果，为后续研究精确制导、目标识别、成像等应用提供了基础。
- W波段 /
- 相控电磁表面 /
- 雷达系统
Abstract: This paper introduces a W-band phased electromagnetic surface radar system. This phased electromagnetic surface works at 92～96 GHz and is manufactured with general PCB technology and processing accuracy requirements. The appropriate unit design makes the DC bias voltage of each PIN diode on the phased electromagnetic surface controlled for the current reversal purpose at a low cost and portability. A 180° phase shift of the unit cell can be provided as the current direction on the unit cell is reversed. Beam scanning in different directions can be formed when inputting the right spatial codes. This transmission type phased electromagnetic surface with the ability of beam scanning is used as the receiving antenna of the radar system. This paper presents a W-band phased electromagnetic surface radar system and its manufacture and measurement results, which are fundamental to further research of precision guidance, target identification, and imaging.
- W-band /
- Phased electromagnetic surface /
- Radar system

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图 1 相控电磁表面天线单元结构及180°调相结构

Figure 1. Phased electromagnetic surface unit cell and 180° phase shift structure

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图 2 不同状态下天线单元的电流分布

Figure 2. Current distribution of the unit cell in different states

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图 3 相控电磁表面天线单元原理模型的全波仿真结果

Figure 3. Full wave simulation results of the phased electromagnetic surface principle model

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图 4 相控电磁表面雷达系统

Figure 4. Phased electromagnetic surface radar system diagram

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图 5 相控电磁表面雷达系统实物图

Figure 5. The figure of the phased electromagnetic surface radar system

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图 6 相控电磁表面天线子系统

Figure 6. The phased electromagnetic surface antenna subsystem

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图 7 相控电磁表面天线的天线测试现场图

Figure 7. The phased electromagnetic surface antenna measurement site

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图 8 相控电磁表面天线波束扫描性能

Figure 8. The phased electromagnetic surface antenna beam scanning performance

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图 9 相控电磁表面雷达系统测试现场图

Figure 9. The phased electromagnetic surface radar system test site

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图 10 金属小棍一维距离像

Figure 10. The one-dimensional range profile of a metal stick

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图 11 不同波束指向下的散射点强度

Figure 11. The intensity of the scatterer under different beam directions

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