從目前智能設(shè)備的普及趨勢來看,未來人類的生活將被越來越多的電子消費(fèi)產(chǎn)品所包圍,智能系統(tǒng)在可見的未來雖然能在高概率上成功根據(jù)日常需求流程預(yù)測被服務(wù)對象的下一步指令實(shí)現(xiàn)部分智能自動化,但完全的無指令輸入實(shí)現(xiàn)對智能系統(tǒng)的控制短期依然難以實(shí)現(xiàn)。因此,針對人機(jī)交互的相關(guān)技術(shù)的研究依然具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。基于雷達(dá)的動作識別系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)對于肢體動作的有效探測和識別的同時,可以有效避免信息的過度采集對用戶隱私和安全產(chǎn)生的潛在影響。本課題基于此應(yīng)用場景,就用于人機(jī)交互的肢體動作探測系統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)所需關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。本文主要研究內(nèi)容如下:首先,根據(jù)人機(jī)交互肢體運(yùn)動探測這一應(yīng)用場景對相控陣天線陣列的設(shè)計需求進(jìn)行了分析并設(shè)計了工作頻率為12GHz的天線陣列,并在CST Microwave Studio中對設(shè)計方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,通過使用MATLAB天線陣列工具箱,對陣列進(jìn)行加窗實(shí)現(xiàn)了對副瓣電平的有效抑制,在此基礎(chǔ)上,以顯示器為例對天線陣列的排布方案進(jìn)行了設(shè)計,并進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景對人機(jī)交互肢體動作探測這一應(yīng)用場景中相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行了設(shè)計。在此設(shè)計方案中所涉及的基本涉及流程和思路不僅適用于此頻段的系統(tǒng),還可用于進(jìn)行更高頻段的系統(tǒng)設(shè)計,因此,此論文所述內(nèi)容具有較大的實(shí)際應(yīng)用價值。本文在對陣列單元的相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,對用于人機(jī)交互肢體動作探測的相控陣?yán)走_(dá)的其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和技術(shù)進(jìn)行了分析,主要包括數(shù)字收發(fā)單元、移相系統(tǒng)和波束控制系統(tǒng)等。此外,對包括射頻移相、中頻移相、基帶移相在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析,并對包括射頻移相和數(shù)字移相在內(nèi)的移相方案進(jìn)行了設(shè)計實(shí)現(xiàn),通過設(shè)計電路并進(jìn)行實(shí)物制作和測試實(shí)現(xiàn)了移相功能,此外,通過對波束控制系統(tǒng)的設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了對陣列移相系統(tǒng)的有效控制。最后,本文對用于人機(jī)交互肢體動作探測的陣列天線波束控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和測試,測試結(jié)果驗(yàn)證了硬件結(jié)構(gòu)的有效性,符合預(yù)期設(shè)計指標(biāo),在人機(jī)交互系統(tǒng)的具體應(yīng)用場景中將有效發(fā)揮作用,具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN958.92
【部分圖文】：

a)無源結(jié)構(gòu) b)有源結(jié)構(gòu)圖 1-1 波束掃描相控陣天線的基本結(jié)構(gòu)[9]通過使用相控陣天線實(shí)現(xiàn)對于波束的靈活控制的相關(guān)研究早在上個世紀(jì)就已經(jīng)開始，受限于移相器和衰減器等器件的制造水平，制造具有高性能的相控陣天線的實(shí)現(xiàn)方案需要使用極其巨大的陣列，因此有很多學(xué)者提出了混合陣列天線的概念，通過使用反射面與相控陣饋源實(shí)現(xiàn)較為靈活的波束控制[10]，七十年代后，微帶天線迅猛發(fā)展，微帶陣列天線開始發(fā)展起來，微帶饋電的形式也流行起來。通常微帶陣列天線的性能優(yōu)于其他傳統(tǒng)的天線陣列，因?yàn)槲ш嚵刑炀�可以將饋電網(wǎng)絡(luò)與陣元一起集成在同一介質(zhì)板上。但是微帶陣列天線也有一些缺點(diǎn)，這種天線通常來說帶寬大多不是很寬，同時微帶陣列天線的陣元所能承受的功率不是很大。盡管如此，微帶陣列天線已經(jīng)在各個領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用起來。隨著相關(guān)加工工藝技術(shù)的發(fā)展，微帶陣列天線逐步解決了由于大型陣列中移相器和衰減器及功分網(wǎng)絡(luò)整體尺寸過大，系統(tǒng)過于復(fù)雜從而難以實(shí)現(xiàn)等問題。微帶陣列天線可以在大大減少多個天線占用空間的同時，避免天線因安裝而產(chǎn)生誤差所產(chǎn)生的影響。同時這種按照一定角度、一定距離所擺放的天線可以由信號處理后得到被測物體

方式發(fā)生了巨大的變化。肢體動作識別成為一種重要的人機(jī)交互方式。而具有增益的、小型化的微帶陣列天線可以作為采集肢體動作的傳感器，在這種識別法下，微帶陣列天線優(yōu)勢主要如下：（1）在實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互過程中可以保證肢體的自由，通過非接觸方式來完成對作的采樣。（2）在有效范圍內(nèi)更為靈活的追蹤肢體運(yùn)動目標(biāo)，對多目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有效的區(qū)分識別。（3）準(zhǔn)確性和靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)對部分干擾信號的有效抑制。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析2018 年 Kerim Kibaroglu 等設(shè)計了可擴(kuò)展的用于 5G 通信的陣列天線[16]，天線實(shí)現(xiàn)水平±50°范圍，俯仰±25°范圍的波束掃描，為了對系統(tǒng)方案進(jìn)行更好的驗(yàn)證，計的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。并且在如圖 1-3 所示的環(huán)境中對系統(tǒng)進(jìn)行了通測試。

a)發(fā)射陣列 b)接收陣列圖 1-3 天線外場測試環(huán)境[16]a)E 面方向圖 b)H 面方向圖圖 1-4 天線實(shí)測方向圖[16]ap 等人設(shè)計并實(shí)際驗(yàn)證了基于反射面的 K 波段相控陣位于拋物面反射天線焦點(diǎn)前。天線系統(tǒng)整體由反射面成網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字控制單元組成。鋁制的金屬拋物面反由超過 100 個波導(dǎo)喇叭天線組成，每個波導(dǎo)喇叭天線及可控增益放大器相連，天線系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)以及天線
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本文編號：2889563