РАЗРАБОТКА АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ MIMO РАДАРА KU ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ
Аннотация
В настоящее время проводится большое количество исследований и разработок ра-
даров непрерывного действия на основе технологии MIMO. В таких системах процесс раз-
работки антенного полотна имеет свои особенности и отличается от разработки клас-
сических антенных решеток. Так, использование взаимно-ортогональных сигналов на пере-
дающих элементах в комбинации с оцифровкой всех приемных каналов, позволяет строить
виртуальную антенную решетку путем повторения приемной антенной решетки в точках
расположения передающих антенных элементов, что существенно улучшает разрешаю-
щую способность по угловым координатам, а также позволяет избавится от дифракци-
онных максимумов. Еще одной особенностью является обеспечение непрерывного режима
работы, для этого необходимо обеспечить такой уровень пространственного запирания
сигнала между всеми передающими сигналами (при условии излучения ими взаимно-
ортогональных сигналов) и приемными элементами, чтобы не происходило перенасыщение
приемных трактов. В данной работе рассмотрен процесс разработки антенного полотна
для MIMO радара Ku диапазона, включающий следующие этапы: расчет требований к про-
странственному запиранию антенных элементов, оптимизация расположения антенных
элементов, электромагнитное моделирование единичного излучателя и пространственного
запирания сигналов, а также результирующих характеристик антенных элементов.
В результате выбора и оптимизации расположения приемных и передающих антенных
элементов была спроектирована структура из 32 передающих и 16 приемных элементов,
расположенных на пространстве размером 30 на 19 см и при этом образующих виртуаль-
ную антенную решетку из 512 элементов размером 19 на 38 см. Полученная конфигурация
виртуальной антенной решетки позволяет говорить о возможности ее использования в
секторе работы ±60 градусов по обоим плоскостям и о потенциальной разрешающей спо-
собности не более 1.5 на 3 градуса (по азимуту и углу места соответственно). Расчет и
моделирование пространственного запирания сигнала между передающими и приемными
антенными элементами показал, что спроектированная конфигурация антенной решетки
позволяет получить запирание 66 дБ, что позволило обеспечить непрерывный режим ра-
боты без перегрузки приемных трактов.
Литература
Vol. 8, No. 4, pp. 477-489.
2. Simon Kueppers, Harun Cetinkaya, Reinhold Herschel, Nils Pohl. A Compact 24 × 24 Channel
MIMO FMCW Radar System Using a Substrate Integrated Waveguide-Based Reference
Distribution Backplane, Microwave Theory and Techniques IEEE Transactions on, 2020,
Vol. 68, No. 6, pp. 2124-2133.
3. Sit Y.L., Li G., Manchala S., Afrasiabi H., Sturm C. and Lübbert U. BPSK-based MIMO
FMCW Automotive-Radar Concept for 3D Position Measurement, Radar Conference
(EuRAD) 2018. European, 2018.
4. Kryuchkov I.V., Slukin G.P., Chapurskiy V.V. Prostranstvenno-vremennaya obrabotka signalov
na vykhode MIMO antennoy sistemy s uchetom pereotrazheniy ot zemnoy poverkhnosti
[Spatio-temporal signal processing at the MIMO output of an antenna system taking into account
re-reflections from the Earth's surface], SVCh-tekhnika i telekommunikatsionnye
tekhnologii [Microwave equipment and telecommunications technologies], 2020, No. 1-1,
pp. 531-532.
5. Chapurskiy V.V., Filatov A.A., Vodolazov R.V. K voprosu o vybore sistemy koordinat pri
postroenii prostranstvennoy obobshchennoy funktsii neopredelennosti dlya radiolokatsionnykh
sistem tipa MIMO [On the question of choosing a coordinate system when constructing
a spatial generalized uncertainty function for radio-location systems of the MIMO
type], SVCh-tekhnika i telekommunikatsionnye tekhnologii [Microwave equipment and telecommunications
technologies], 2020, No. 1-1, pp. 533-534.
6. Chapurskiy V.V., Slukin G.P., Noniashvili M.I., Lesnikov G.A. Razreshayushchaya sposobnost'
i radioizobrazheniya statsionarnykh ob"ektov v nazemnykh MIMO-radiokamerakh [Resolution
and radio images of stationary objects in ground-based MIMO-radio cameras], Vestnik MGTU
im. N.E. Baumana. Seriya “Priborostroenie” [Bulletin of the Bauman Moscow State Technical
University. Series “Instrument making”], 2019, No. 3 (126), pp. 77-94. Doi:
10.18698/0236-3933-2019-3-77-94.
7. Liu Y., Liao G. and Yang Z. Range and angle estimation for MIMO-OFDM integrated radar
and communication systems, 2016 CIE International Conference on Radar (RADAR), 2016,
pp. 1-4. Doi: 10.1109/RADAR.2016.8059539.
8. Touati N. et al. High Angle Resolution Automotive Radar Based on Simultaneous 12Tx Doppler-
Multiplex MIMO, 2020 17th European Radar Conference (EuRAD), 2021, pp. 386-389.
Doi: 10.1109/EuRAD48048.2021.00105.
9. Charles E. Cook Marvin Bernfeld. Radar signals. An introduction to theory and application.
Academic press, inc. (London) LTD, 1967.
10. Lobach V.T., Kas'yanov A.O., Potipak M.V. [i dr.]. Posledovatel'nyy sposob formirovaniya
kanalov MIMO pri izmerenii parametrov radiolokatsionnykh ob"ektov [A sequential method for
forming MIMO channels when measuring the parameters of radar objects], Izvestiya YuFU.
Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2015, No. 11 (172), pp. 213-224.
11. Zaytsev N.A., Makaretskiy E.A. Analiz napravlennykh svoystv antennykh reshetok MIMO
RLS [Analysis of directional properties of MIMO radar antenna arrays], Izvestiya TulGU.
Tekhnicheskie nauki [News of TulSU. Technical sciences], 2016, No. 12-2, pp. 111-121.
12. Chapurskiy V.V. Poluchenie radiogolograficheskikh izobrazheniy ob"ektov na osnove
razrezhennykh antennykh reshetok tipa MIMO s odnochastotnym i mnogochastotnym
izlucheniem [Obtaining radiographic images of objects based on sparse MIMO-type antenna
arrays with single-frequency and multi-frequency radiation], Vestnik MGTU im.
N.E. Baumana. Seriya «Priborostroenie» [Bulletin of the Bauman Moscow State Technical
University. Series “Instrument making”], 2011, No. 4 (85), pp. 72-91.
13. Hassanien A. and Vorobyov S.A. Why the phased-MIMO radar outperforms the phased-array
and MIMO radars, 2010 18th European Signal Processing Conference, Aalborg, Denmark,
2010, pp. 1234-1238.
14. Meleshin Y.M., Romanova E.O., Zatonskaya A.A., Kuzmin I.A. and Airapetian A.A. Optimization
of the Arrangement of Antenna Elements of the Ku-band MIMO Radar, 2021 IEEE Conference
of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus),
2021, pp. 2541-2543. Doi: 10.1109/ElConRus51938.2021.9396418.
15. Zheng Shenghua, Xu Dazhuan and Jin Xueming. ADC limitations on the dynamic range of a
digital receiver, 2005 IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation
and EMC Technologies for Wireless Communications, 2005, Vol. 1, pp. 79-82. Doi:
10.1109/MAPE.2005.1617852.
16. Tangelder R.J.W.T., H. de Vries, Rosing R., Kerkhoff H.G. and Sachdev M. Jitter and
decision-level noise separation in A/D converters, IMTC/99. Proceedings of the 16th
IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference (Cat. No.99CH36309),
1999, Vol. 3, pp. 1558-1562. Doi: 10.1109/IMTC.1999.776087.
17. Jianhua Liu, Xiyuan Zhou and Yingning Peng. Spectral arrangement and other topics in firstorder
bandpass sampling theory, in IEEE Transactions on Signal Processing, June 2001,
Vol. 49, No. 6, pp. 1260-1263. Doi: 10.1109/78.923308.
18. Efimov A.G., Korneev S.A., Matveev V.S., Chistyukhin V.V. Proektirovanie mnogoluchevoy
priemo-peredayushchey apertury nizkoorbital'noy kosmicheskoy sistemy svyazi [Designing a
multipath receiving-transmitting aperture of a low-orbit space communication system],
Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektronika [News of higher educational institutions.
Electronics], 2021, Vol. 26, No. 1, pp. 64-73.
19. Moskovskiy A.V., Osokin V.A. Patent № 2728729 C1 Rossiyskaya Federatsiya, MPK H01Q
21/26. Turniketnaya antenna s malogabaritnym kvadraturnym delitelem moshchnosti [Turnstile
antenna with a small-sized quadrature power divider]: No. 2019119473: appl.:
20.06.2019; publ. 30.07.2020; applicant: CJSC "MNITI.
20. Chistyukhin V.V., Lyalin K.S., Oreshkin V.I. [i dr.]. Proektirovanie izluchayushchey apertury
AFAR samoletnoy RLS perednego obzora dlya sistemy navedeniya i posadki v
avtomaticheskom rezhime [Designing of the radiating aperture of the AFAR of the forwardlooking
aircraft radar for the guidance and landing system in automatic mode], Izvestiya
vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektronika [News of higher educational institutions. Electronics],
2015, Vol. 20, No. 5, pp. 530-535.
