CN102859794A - 具有稀疏占据的单元阵列的天线 - Google Patents

Abstract

一种天线(80，90)具有单元(20、40)的一维或多维阵列，其中，至少部分所述阵列中的连续单元之间的间隔是非周期的并对应于单位间隔的一系列倍数，所述倍数遵循斐波纳契数列。二维阵列能够被安排为斐波纳契网格或斐波纳契正方形平铺。能够对于给定的分辨率测量减少单元的数量，同时仍然使得所发射或接收的信号能够在单个唯一方向上具有峰值从而形成波束。不仅如此，由于将存在着一些单元紧密地聚集在一起而有几个之间适当间隔的情况，所以与规则间隔的阵列相比，能够更适合于车辆(30)。能够将其用作亚毫米雷达系统的发射天线或接收天线。

Description

具有稀疏占据的单元阵列的天线

技术领域

本发明涉及阵列天线、具有这种天线的雷达系统、为这种天线产生单元布局的方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)技术涉及大阵列的使用。每个个别阵列单元的相位和振幅都能够被单独控制。按照这个目的，一组如相位延时被编程在全部天线单元中，并且存储测量结果值以进一步处理。SAR方法的实力在于以下事实：假设相位集合已经足够，任何类型的波束形式都能够在过后被合成，即，使用特定类型的天线以特定波束模式重建会被测量到的数据。已经发明的SAR允许雷达系统跟踪目标而无须任何机械移动部件并且能够同时跟踪几个目标。典型的SAR应用所需要的天线单元的数量对于二维成像系统在从几百到几千的范围内。使用微波频率，单个SAR单元成本不那么高并且微波信号的产生、传送和分配(以及收集)是廉价的，而且对于所有类型的几何形状和拓扑结构存在着大量的低损失解决方案。在亚毫米雷达中情况完全不同：对于亚毫米雷达，不存在廉价而高效地产生信号功率的方式，也不存在将功率高效地传送到几百个波长以外的方法(这些频率的波导加工费昂贵而且弯曲难以产生，电缆不起作用而微波传输带/带状线/共面波导技术只能生产好的天线并且/或者具有高的损失，但是在100GHz以上它们都不是好的传输线)。

EP 807 990 B1(The Boeing Cy)说明，在最新技术中公知的不规则阵列提供了解决在规则阵列中固有的栅瓣问题的方法，因为不规则阵列消除了单元位置的周期性。随机阵列在最新技术中被称为一种形式的不规则阵列。随机阵列受限于其可预测地控制最糟糕情况下的旁瓣的能力。当能够控制阵列单元位置时，可以使用某算法确定单元放置的模式，以便将允许更加可预测地控制最糟糕情况下的旁瓣。现有技术包含非规则间隔的线性阵列的许多实例，其中许多阵列是非冗余的，也就是说，任何给定单元对之间的间隔都不重复。非冗余性提供了关于控制栅瓣的阵列设计的最优化程度。

它还说明，设计非规则平面阵列的现有技术是非常特别的。在现有技术中似乎仅仅存在几个非冗余平面阵列的简单实例，其中或者存在着相对少量的单元或者存在极其简单化的单元分布比如围绕某圆周。现有技术似乎没有用于以受控方式定位在整个阵列孔径(与只是围绕周边相反)上分布的任意数目的单元以确保非冗余性和圆对称的非冗余平面阵列设计技术。

它继续提出了在宽频率范围上实质上不存在栅瓣的平面阵列设计，其中可用的单元数目实质上少于典型情况下以满足半波长准则的单元间的间隔来构建规则(即等间隔单元)阵列所要求的数目，其中半波长准则是为了避免源映射或投射波束中的栅瓣污染所要求的。做到的方式为提供检测或发射单元(如麦克风或天线)的平面阵列，检测或发射单元在沿着一组一致的对数螺线的多种弧长和半径上隔开，其中螺线组的成员围绕起始点以均匀角度分开，在宽频率范围上比具有均匀分布单元的阵列(比如正方形或长方形网格)或随机阵列具有更低的最糟糕情况下旁瓣和更好的栅瓣降低。所述阵列是圆对称的并且当存在着奇数个螺线时，该阵列是非冗余的。优选的螺线说明书实施例将在形成等面积圆环域的几何径向中心的若干同心圆上的阵列单元的位置与半径被独立选择的最内同心圆上的位置结合，以便增强所述阵列对将被使用的最高频率的性能。该阵列可用于相控阵电磁天线阵列。

US 2007075889显示了被安排为以更少天线单元运行的毫米波全息成像装备，从而大为降低成本。它涉及使用电磁波的合成成像，利用了被配置为发射200MHz与1THz频率之间电磁辐射的线性发射机阵列，以及被配置为接收来自所述发射机的反射信号的线性接收机阵列。这些接收机中的至少一个被配置为接收来自三个或更多发射机的反射信号，以及至少一个发射机被配置为向物体发射信号，物体的反射将由至少三个接收机接收。

发明内容

本发明的目的是提供替代阵列天线、具有这种天线的雷达系统、为这种天线产生单元布局的方法以及为执行这种方法的对应计算机程序。根据第一方面，本发明提供了：

天线，具有单元的一维或多维阵列，其中在至少部分阵列中的连续单元或单元组之间的间隔是非周期的并对应于单位间隔的一系列倍数，对于单元或单元组的至少四个或五个的倍数遵循斐波纳契数列。

这种间隔布局使得对于给定的分辨率测量，单元数量能够被减少，同时仍然使得正在发射或接收的信号能够在单个独特方向上具有峰值从而形成波束。因此通过使用具有相当大的波束形成能力的辐射单元，能够使在旁瓣中浪费的功率保持为低，并且能够使取决于单元数量的成本保持为低。另外的优点是对于给定的分辨率和给定等级的旁瓣降低，能够更高效地填充孔径。原则上，对于给定数量的单元，与其他间隔布局相比，具有对应于斐波纳契数列的多个连续非周期间隔增加了任何两个单元之间不同距离的数量。存在的不同距离越多，旁瓣降低得就将越好。不仅如此，原则上，对于给定数量单元，具有对应于斐波纳契数列的多个连续非周期间隔还能够增加天线基线的长度。基线越长，目标上的可能分辨率就越高。由此可见，对于给定的基线长度和给定等级的旁瓣，能够减少所需要的单元的数量。尤其是在每个单元昂贵时，为了获得更低的噪声和更窄的波束形状，有用的是能够减少单元的数量并优化每个单元，而不是使用具有大量单元的常规方案。

减少辐射单元的数量允许使用更复杂的辐射单元。不仅如此，由于将有某些单元紧密地聚集在一起而有几个则分得很开，使得在空间受限的应用(比如负载空间或旅客空间或窗口必须不被挡住的车辆)中，与具有可比尺寸的更规则间隔阵列的情况相比，能够更容易地为单元找到适宜的位置。

本发明的其他方面包括具有这种用于发射或接收的天线的对应雷达系统，以及制造所述天线的对应方法，涉及为这种天线的单元产生布局。本发明的实施例能够具有被加入的任何其他特征，某些这样的附加特征在从属权利要求中陈述并在以下更详细地介绍。任何一个附加特征都能够组合在一起并且能够与任何一个方面进行组合。其他优点尤其是超过其他现有技术的优点对于本领域技术人员将是显而易见的。能够做出无数的变化和修改而不脱离本发明的权利要求书。所以，应当清楚地理解，本发明的形式仅仅是展示性的并非力图限制本发明的范围。

附图说明

现在将参考附图举例介绍如何可以实施本发明，其中：

图1显示了在一维阵列中具有天线单元的实施例；

图2至图6显示了天线响应图；

图7显示了斐波纳契数列实施例对于一维阵列中天线单元数量的稀疏程度图；

图8显示了二维斐波纳契网格；

图9和图10显示了导出斐波纳契正方形平铺的阶段的示意图；

图11显示了稀疏程度对阵列尺寸的展示图；

图12显示了雷达系统的实施例；

图13显示了车辆的实施例，具有划分为车辆上的群集和附属位置的天线单元的阵列。

具体实施方式

下面将关于特定实施例和参考一定的附图介绍本发明，但是本发明不限于此而仅仅根据权利要求书来限定。所介绍的附图仅仅是示意性的而不是限制。在附图中，为了展示目的某些元件的尺寸可以被夸大并未按比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用术语“包括”之处，它并不排除其他元件或步骤。指单数名词时所用的如“某”、“所述”之处，这包括了该名词的复数，除非明确地声明了并非如此。

在权利要求书中使用的术语“包括”不应当被解释为限于其后列出的装置，它并不排除其他元件或步骤。因此，表达“包括装置A和B的设备”的范围不应当限于仅仅由组件A和B构成的设备。它意味着关于本发明，仅和设备相关的组件是A和B。

不仅如此，在说明书中和权利要求书中使用的术语第一、第二、第三等是为了在类似元件之间进行区分，而未必是用于说明顺序或时间次序。应当理解，如此使用的这些术语在适当情况下是可互换的，并且本文介绍的本发明的实施例能够以不同于本文介绍或展示的其他顺序运行。

另外，在说明书和权利要求书中使用的术语顶、底、之上、之下等是为了说明目的，而未必用于说明相对位置。应当理解，如此使用的这些术语在适当情况下是可互换的，并且本文介绍的本发明的实施例能够以不同于本文介绍或展示的其他方位运行。

本说明书从始至终对“一个实施例”或“某实施例”的引用意味着连同该实施例介绍的特定特点、结构或特征被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书从始至终在多处出现的短语“在一个实施例中”或“在某实施例中”未必都指同一实施例，而是可以如此。不仅如此，这些特定特点、结构或特征可以以任何适合的方式结合，正如在一个或多个实施例中根据本公开对于本领域的技术人员将是显而易见的。

同样应当认识到，在本发明的示范实施例的说明中，为了简化本公开和帮助理解一个或多个本发明不同方面的目的，在单个实施例、附图或其说明中有时将本发明的多个特征组合在一起。不过，不应当将本公开的方法解释为反映了所要求保护的发明要求比在每项权利要求中清楚陈述的特征更多特征的意图。相反，正如以下权利要求书反映，本发明的若干方面处于少于单个前述公开的实施例中全部特征的状态。因此，跟随本详细说明之后的权利要求书在此特别地合并到本详细说明之中，其中每项权利要求都以其自身为根据作为本发明的单独实施例。

不仅如此，虽然本文介绍的某些实施例包括在其他实施例中包括的某些特征但不包括其他特征，但是不同实施例的特征结合意味着在本发明的范围之内，并且形成了不同的实施例，正如本领域的技术人员所理解。例如，在以下权利要求书中，任何要求保护的实施例都能够组合地使用。

在本文提供的说明中，阐述了众多特定细节。不过应当理解，没有这些特定细节也可以实践本发明的实施例。在其他实例中，为了不模糊对本说明的理解没有详细地显示熟知的方法、结构和技术。

涉及的雷达能够包含被动的或主动的系统，其中主动意味着发射辐射以照亮景物并检测从该景物反射的辐射的任何雷达系统。发射机原理上可以独立于接收部件，如果该接收能够通过检测所述发射与该发射机锁相的话。

“亚毫米雷达”意在通常包含使用大约100GHz以上频率的任何雷达，并且在300GHz以上和3THz以下的更窄范围内将介绍若干实例，也称为太拉赫兹雷达。这种雷达能够被应用在例如车辆的系统中，以及例如所公知的，应用在建筑物中的安全或监视系统中。

涉及的单元之间的间隔意在包含：物理单元之间的间隔以及基于规则在数学上合成的单元之间的间隔，或其他物理间隔，或者这种物理的和合成的单元的混合。

涉及的车辆应当被广义地解释并且能够指任何机器人、机器人车辆、自动导向的车辆、道路车辆、船舶、飞行器等。

对由某些实施例所解决的某些问题的介绍

由于合成孔径的基本方法是从目标收集数据的最有效率的方式，具有根据先前测量的数据“凭经验地”改进分辨率的能力，所以关键问题是：

用多么少的天线单元仍然能够实现任何形式的SAR？

什么类型的天线单元最合适？

在何处放置这些天线单元？

一般来说，阵列天线要求阵列单元的距离略小于波长的一半以便避免栅瓣。这样的栅瓣引起使用这种天线发射的信号将具有波束传播最多的几个方向，并且当用这种天线检索信号时，存在着无法被分开的若干组方向。所以对于对目标具有给定空间分辨率的天线，天线波瓣必须具有要在目标上被分辨的维度的尺寸。这意味着该天线必须具有一定的孔径尺寸，它也可以被称为所述天线基线的长度。然后该天线波瓣的角宽度被给出了简单图形：假设某点源在距离等于天线孔径尺寸处。两个源按同相辐射。观察主波瓣的方向(垂直于所述两个源之间的连线)，两个源的信号在主波瓣的方向被相加。天线波瓣第一次变为零的空间角度决定于使得观察点与所述点源之间的距离差变成等于半波长的角度。

两个要求在一起产生了天线单元的巨大数目，因为整个孔径必须以天线单元来覆盖。

但是后一点事实上不正确，以下将更详细地介绍。现在将总结对这个问题的一般解决方案。

作为解决这些问题的出发点，先考虑一维的情况。暂时只有横向分辨率重要。假设某信号源位于离开接收天线阵列的某距离之处。人们如何能够唯一地确定这个源在何处？以完整孔径尺寸进行测量，读出两个到达信号之间的相位。注意，人们仅仅测出了以2π(360°)整除后的余数。所以这条相位信息产生了所述源可能被放置的一组方向。每个方向都是通过假设在测量天线单元之间丢失整数个全波而得到。如果人们将这个测量结果与用在不同分开距离的两个其他天线单元获取的另一个测量结果相结合，如果新天线对之间的距离被选择为不同于第一个距离的话，人们就能够有效地排除大多数方向。因此通过具有能够使用放置在所有可能距离处的天线对测量相位距离的系统，能够排除所有多个方向的可能性。

选择两个天线单元之间的最短距离(这个距离必须为半波长的量级)，沿着某线以不规则形式设置这些天线单元，其中总存在着一对天线单元其距离等于可用于测量的最短距离的任何整数倍。因此这等效于解决了创建测量棒的数学问题，在该测量棒上所有可能的距离都能够以描绘在上面的最少量的测量记号来测量。

图1介绍某些实施例的特征

对于这个问题存在着由斐波纳契数列给出的答案。缺点是对照平常棒，最长可测距离由所述棒的长度给出，而斐波纳契棒长于所述平常棒。

斐波纳契数列的元素由简单的规则给出：数列的下一个元素由两个先前元素的和给出。开始点是数列{1，1}。第一个元素被放在原点而数列中的另一个元素具有该单位间隔给出的间隔距离。对于开始的情况，这意味着三个天线单元具有距离1。下一个元素是{1，1，2}，引起先前天线三元组在距离2添增了第四个单元。具有四个元素的数列是{1，1，2，3}而具有五个元素的是{1，1，2，3，5}。最后一个数列已经允许除9以外在1与12之间全部距离的测量。对于一维阵列，这些间隔的实例显示在图1中。单个的和隔离的间隙不是真的重要而是对增加旁瓣噪声起作用。另一方面，覆盖尺寸为12的阵列仅仅需要6个单元。第六个元素产生了数列{1，1，2，3，5，8}，它允许测量附加值[13，16，18，19，20](而不是9，14，15，17)。

原则上不需要对严格连续的单元应用斐波纳契模式，但是这种纯粹顺序的斐波纳契模式将用最少的单元提供最佳分辨率。所以存在着若干替代实施例，其中斐波纳契数列被中断而不是严格地按“连续的”元素，比如每个斐波纳契间隔被每隔一个间隔地应用，像这样：{1，1，2，1，3，1，5，1，8，1，13...}。这可以被视为将斐波纳契间隔应用到这些单元的连续组的实例，其中所述组是具有单位间隔的一对单元，尽管原则上所述组可以更大或者在所述组内具有其他规则或不规则的间隔。

逊于最优实例的其他替代实例可以包括使某些斐波纳契间隔移动到初始单位间隔的另一侧，例如：{8，3，1，1，2，5，13...}。使某些间隔在别处将趋于降低以辐射单元数目所算出的分辨效率以及减小在目标处的分辨率，因为在单元之间的距离组中引入了某些冗余。对斐波纳契间隔的引用还能够包含能够被构想出的其他斐波纳契式的间隔，并且与规则间隔相比，在增加在任何两个单元之间不同距离的数目方面它们能够产生某些益处。能够构想其他实例或这些实例的组合，并且能够将其应用到以下介绍的二维网格或阵列，或者两个维度之一或者两个维度都用。

斐波纳契数列需要两个起始参数(在最简单情况下是1和1)从而仅仅对第三个元素2才有意义，所以这将是给出均匀分隔与不规则分隔阵列之间区别的最小单元数目。斐波纳契数列用第四个元素3变得更可识别。

在某些逊于最优的实例中，可以为至少50％或至少70％的单元提供斐波纳契间隔。在信号高效率不重要时，在不太需要SAR应用时，或者在期望每个辐射单元具有充足的空间时，或者在提供几百个或几千个辐射单元的成本令人望而却步时，天线基线仅仅需要以辐射单元稀疏地填充。

实施例能够以尽可能少的单元实现尽可能多的正交数据的测量结果，因为能够使各个单元最优化而产生更低噪声和更好的先验天线模式。这对于使用多个(如＞100)相位耦合单元降低噪声不可能或不实际的应用是有用的。

本发明的某些实施例具有带有两个主轴的二维阵列，沿着至少一个主轴出现该序列所对应的间隔。可以沿着两个主轴都出现该序列所对应的间隔，以给出斐波纳契网格。单位间隔可以选择为2的平方根乘以半波长。这使得大多数稀疏占据的方向能够具有至少半波长的间隔，从而避免栅瓣而不会太多地缩短单位间隔。

天线的某些实施例可以具有二维阵列，其中沿着遵循螺线的某线出现该序列所对应的间隔。这也能够有助于避免使若干方向跨越比其他阵列更稀疏占据的阵列。最根本的是，使阵列排列为二维斐波纳契数列正方形平铺的实施例能够在稀疏度与避免不同方向的稀疏度不均匀之间提供最佳的折衷，同时具有最少数目的单元。

其他实施例能够具有一维阵列，其中沿着该阵列出现该序列所对应的间隔。某些实施例被安排为适合用于亚毫米波长的信号。某些具有的孔径在120毫米到1200毫米的范围，尽管在200毫米到800毫米的范围内这些影响很可能更大，并且某些应用将适合400毫米加减50毫米的范围。

某些实施例涉及亚毫米的雷达系统，它具有以上讨论的任一实施例的天线作为发射天线或作为接收天线。该雷达系统可以合并在车辆中。

某些实施例涉及制造天线的方法，该方法具有通过下列方式确定天线的单元间隔的初始步骤，以形成一维或多维单元阵列，所述方式为根据期望的波长确定单位间隔，以及确定至少部分阵列的连续单元之间的间隔为非周期的并对应于单位间隔的一系列倍数，所述倍数遵循斐波纳契数列。

斐波纳契阵列的缺点在于以下事实：与充满的阵列相比，从信号收到的功率总量降低了等于填充系数的系数。另一方面，通过将这些更少的接收单元改进到最优能够更智能地使用资源。对于具有规则单元间隔的一般SAR雷达，这些天线单元被保持得非常简单且具有非常宽的单元辐射波瓣。在本发明的实施例中，对于接收天线人们能够改为使用具有合理窄波瓣的单元以便更高效地捕获照明信号，因为该照明信号不得不仅由非常少的天线单元来检测。

图2至图6，天线响应模式

用例如400个天线单元以四分之一波长规则间隔放置来设置传统雷达系统，给出了在10000个波长距离处的结果天线响应，正如图2中给出。这幅图形显示了每个天线在10000个波长距离处放置的目标上的信号强度。

由仅有14个(而不是400个)单元的斐波纳契间隔的雷达系统能够达到相同的分辨率，这些单元在斐波纳契距离乘以四分之一波长的单位间隔放置。图3显示了在10000个波长距离处的结果天线响应模式。斐波纳契雷达与传统雷达的物理(孔径)尺寸一致。在两种情况下天线模式的3dB峰值宽度相同。

对于0.5波长的单位间隔的布局获得了类似的图形。这是传统阵列布局避免旁瓣的最大绝对值(参考图4和图5)。图6显示了使用与斐波纳契情况相同数目天线单元的传统等距雷达的结果，用于对比。

图4显示了在0.25波长距离的等距间隔的雷达天线单元的天线响应模式。该附图显示了在10000个波长距离处放置的目标上每个天线的信号强度。由于条件不同，这些图不同于图2，并且这些图涉及每个被使用的辐射单元的信号强度而不是总的信号强度。

图5显示了使用16个天线单元具有0.25波长基本距离的雷达系统的基于斐波纳契数列的天线布局的天线响应模式。该图显示了在10000个波长距离处放置的目标上每个单元的信号强度。该图显示了在中心线处的单峰。

图6显示了使用与斐波纳契系统相同数量的天线单元的等距雷达天线的天线响应模式。该图显示了在10000个波长距离处放置的目标上每个天线的信号强度。

综上所述，以仅仅一小部分数量的天线单元实现与传统SAR雷达中相同的分辨率是可行的。缺点当然是这种雷达系统的采样面积与使用的天线单元的数量成比例。使用这样的系统，其中源和接收器都稀少并且不同天线单元必须由波束分离而产生，斐波纳契系统的效率高于在传统的情况下。本机振荡器的功率使用被大幅度地改进。但是如同所指出的那样，信号水平较低。

图7，所需天线单元的分数

原则上能够节省多少天线单元？

根据比奈等式，通过闭合形式的表达式能够获得斐波纳契数列的这些元素：

$F_n=\frac{{\left[\frac{\sqrt{5}-1}{2}\right]}^n-{[1-\frac{\sqrt{5}-1}{2}]}^n}{\sqrt{5}}$

对于长度为F_n的满阵，需要F_n个天线单元。对于对应的斐波纳契阵列，仅仅需要n个天线单元。所以图7显示了所需要的天线单元的分数作为阵列长度(以满阵情况天线单元的数量)的函数。它显示了与完全占据阵列相比用于一维斐波纳契天线的阵列稀疏度图。

注意图7并假设具有100个天线单元的满阵，达到了稍微小于0.1的稀疏度，意味着在斐波纳契阵列中使用的天线单元少于10个。研究二维的情况，有两种解决方案，网格和平铺，正如现在将解释：

图8，二维斐波纳契网格

这是通过假设二维平面导出的，其中斐波纳契数列的数列元素(乘以给定的基本距离)被标记在轴上。这对应于一维的情况。现在x和y坐标值的全部点都是斐波纳契数列的数列元素。这引起了给定区域被适合的最大斐波纳契数字的乘积所占据的方案。这样的阵列结构经历某种扩散：沿着不平行于坐标轴的直线，在天线位置近旁的距离往往大于坐标轴上的距离。沿着坐标轴在最大距离放置天线单元，那么沿着更稀疏占据的所有距离将存在着栅瓣。当天线单元之间的间隔被选为半波长的0.707(2的平方根)倍时斐波纳契网格是非常好的解决方案。此时，即使最稀疏占据的方向(处于45度)也将不会显示栅瓣。

这样的阵列显示在图8中。沿着坐标轴的天线地点为暗灰色，更黑的位置显示了附加的点，其中已经放置了天线单元。

沿着一侧的F_n个天线单元的传统满二维阵列现在需要(F_n+1)²个天线，而斐波纳契二维阵列仅仅需要(n+1)²个天线单元。节省的天线单元数量作为否则满(方)阵中需要的天线单元数量的函数显示在图11上方的点线中。

不过还存在着在二维情况下放置这些天线单元的甚至更好的方式，除更经济外不显示出扩散效应。

图9和图10，二维斐波纳契正方形平铺

图9显示了按照一连串通过添加不同尺寸的正方形所产生的模式的推导视图。图10显示了类似连串的视图，展示了在这些正方形角上的天线单元的位置，使得每个正方形都形成了一组单元的实例。在两种情况下，接合这些正方形中心的线都遵循某螺旋形路径。正如在斐波纳契一维阵列的情况下，所述推导以斐波纳契数列的第一个元素(即1)开始。现在在具有这个单位边长的正方形中在原点处安排一组单元，该正方形平铺应当在该原点开始。作为下一步，第二组单元被放置在斐波纳契数列的第二个数(还是1)所对应的间隔处。这意味着将具有这个单位边长的正方形放置在第一个正方形的旁边。形成尺寸为2×1的矩形。下一步沿着该矩形较长的边放置具有由第三个数列元素(即2)给出边长的正方形。由于这个较长边是由先前两个斐波纳契元素相加的长度组成，所以要添加的单元将总是适合这个地方。该阵列将永远是矩形(对于第n步，它将具有F_n和F_n-1的边长)。

沿着一侧F_n×F_n-1个天线单元的传统满二维矩形阵列同样需要(F_n+1)(F_n-1+1)²个天线单元，如同先前情形。斐波纳契正方形平铺第一步需要4个天线单元，然后每次迭代再多两个，这产生了2+2n个，而斐波纳契二维阵列仍然需要(n+1)²个天线单元。斐波纳契平铺节省的天线单元数量作为否则满(方)阵中需要的天线单元数量的函数，显示为图11下方的点线。它显示了所占据的天线单元数量与相同尺寸的满矩形阵列中天线单元数量成比例。

以目标上一定分辨率的要求，衍射对必须用发射或接收单元覆盖的孔径尺寸设置下限。应当避免栅瓣以确保唯一方向的分辨率。每当天线单元之间的距离超过半波长时就出现栅瓣。所以传统的雷达系统包括了填充整个孔径表面的非常大量的天线单元。

对于车载应用，目标上的分辨率暗示400毫米区间的孔径尺寸。使用超过300GHz的频率，波长是1毫米。所以传统的SAR雷达将不得不使用多于400×400个天线单元以满足所有的需求。由于惊人的昂贵和笨重，无法在车辆上实现这样的系统。使用斐波纳契平铺，使用42个天线单元就能够获得目标上相同的分辨率。

在传统的系统中，空间需求(0.5毫米的距离)暗示只能使用原始的天线单元。这些天线的天线增益非常低(＜10dB)。使用斐波纳契平铺，这些天线单元之间存在着大得多的空间，所以能够使用结构上更大的天线单元，其天线增益超过30dB。使用增益比所述SAR单元大35dB的天线单元，所采集的信号强度与传统的满阵SAR雷达一致。

斐波纳契一维阵列和二维平铺是采集孔径上一切独立信息的最佳方式。使用比斐波纳契一维阵列或斐波纳契二维平铺更少的天线单元而完全覆盖相位和振幅信息是不可能的。斐波纳契二维平铺是在半波长距离处放置这些阵列单元时没有扩散(即在一定的方向上的栅瓣)的唯一二维阵列。

在满阵中，天线单元的尺寸必须不超过大约是半波长的天线间隔。所以只能使用低效率的小天线单元。利用斐波纳契方案只需要非常少的天线单元。所以，该阵列被非常稀疏地占据，给出了使用高效率天线单元的空间，其中一个天线单元在尺寸上可以是几个波长。

使用斐波纳契方案时节省的天线单元数量是巨大的。注意，这些阵列与完全满阵具有相同的空间分辨率。信号采集面积(即全部天线单元采集尺寸之和)恰恰是比SAR阵列小的天线节省系数。但是由于只需要非常有限数量的天线单元，所以能够使用采集面积大得多和效率高得多的天线单元。这对于亚毫米波长的应用尤其有用，因为接收机电子装备如此昂贵使得这样的电子装备的所需份数为主要成本的驱动者。因此，可以使用更多的精心制作天线单元，具有高得多的波束效率，并且创建大于满阵物理尺寸的净采集面积。

能够在亚毫米波长上具备形成波束能力的这些单元的适宜形式例如是，如号角式天线、波纹号角式天线、微反射器天线或者号角式与电介质透镜的结合。使用这些天线形式，考虑到非常稀疏阵列中每个单元尺寸不再被限制为半波长，对于给定单元尺寸能够达到可获得的最佳波束形成。此概念类似射电天文学中的VLBI(超长基线干涉量度法)方式。此时人们无法选择参与观察台的位置，而不得不从使用可能的最好天线所取得的相干数据“获得最大功效”。参考文献：对于THz号角式天线，参见例如：http://www.virginiadiodes.com/+ISSTT proceedings(自从1997年为年刊)。关于VLBI参见例如：http://www.evlbi.org/。

图12和图13，系统视图

图12显示的雷达系统实例具有由本地振荡器100馈入的发射机驱动器85所驱动的发射天线80。若干发射照明对象70而反射由接收天线90接收。这馈入接收器电路95，它又馈入解调器110。这能够利用本地振荡器信号，它与用于发射机的振荡器有关或者是独立的。这些部件85和95能够使用常规的电路操纵相位和振幅，并且处理这些成分以进行调制或解调，以适于所使用的特定天线单元间隔。

天线单元平铺的位置可以横越车辆比如小汽车展布，图13显示了某实例。该图显示了小汽车30、间隔紧密的群集单元40和若干空间相隔更远的单元20。斐波纳契平铺天线单元被沿着以上讨论的平铺正方形的角落放置。取决于基础长度的比例(这里例如是0.4毫米)以及取决于天线生产技术，可以将这些天线单元划分为两类或更多类：例如图13所示的群集部分以及一个或多个附属部分。

群集部分围绕着斐波纳契重复开始的点。这里有彼此非常接近放置的天线单元。使用对所有天线单元的公共透镜能够将前8到20个天线单元联合在一个单基片上。剩余的天线单元形成若干附属部分。这些部件离所述群集单元比较远，并且这些个别的天线单元能够随意地被放置在车辆上。例如使用光纤就将完成与这些附属部分的互动和数据传输，因为在电气领域中不可能将THz信号传输这么远而没有重大损失。

取决于天线的实际类型和频率，这些天线单元的或小或大的部分都可以是该群集的一部分。由于随着斐波纳契数字的增大离该群集的距离也增加，孔径区域的大部分实质上是空的。这能够便利这些天线单元放置在车辆上，其中大量的区域无法用作天线单元的位置。

与满阵的情况相比，只要在两种情况下都使用了同样的天线单元，在斐波纳契阵列中信噪比差得多。在传统的满阵中，天线类型选择主要根据低成本和根据非常小的天线外部维度而确定。斐波纳契阵列是稀疏的所以使用了更有效的天线单元。使用这些单元能够以巨大的成本降低使信噪比与满阵的情况在相同水平。

目标上的空间分辨率不受影响。与满阵波束相比，存在着由斐波纳契波束的更高侧翼所导致的轻微不利影响，这降低了所获得图像的对比度。

由于这些波束的侧翼更大，所以在雨雪衰减上的积分包括更大面积，有效降低雨雪衰减的影响。最终，以上的对比度损失由增强的雨雪能力所平衡。

应当注意，(给定基本单元距离的)任何二维阵列包含所有的斐波纳契数字乘以关于任意入射方向被投影时的特征长度所对应的全部距离。那么投影的特征长度由关于入射方向(由二维阵列上的第一种子正方形在两个坐标方向上给出的)特征长度向量的更长的投影给出。所以二维阵列对于一切入射方向都具有与一维阵列相同的重建特性。

根据这点能够导出许多命题：

a)：引用一维阵列与丧失一般性没有关联，因为正如别处所提及，当按照给定的到达方向投影时任何二维阵列都表现为一维阵列。

b)：一维阵列用作提取位于包含该一维阵列基线的平面内的目标方向的工具，因为我们得到了允许求解方向矢量的全部所需要的相位差测量结果。当且仅当关于到达矢量方向的一维阵列基本正方形尺寸的投影小于半波长时，这个解是唯一的。

c)：因此，二维阵列仅仅是一维阵列的扩展，其中在三维中的任意方向需要目标方向的提取，当且仅当关于到达矢量方向的一维阵列基本正方形尺寸的投影小于半波长时，产生唯一的解。

还值得指出的是：

1：二维阵列应当具有至少7个天线或天线组以确保给出与周期阵列可比的明显结果，而一维阵列能够具有至少4个天线或天线组。

2：对于给定频率(从而波长)，只有当种子正方形(二维阵列)[种子线(一维阵列)]的基本长度必须小于半波长(为投影上可能的最长基线)时，方向的检索才产生唯一解，对于避免阵列中的栅瓣这是已知的规则。

在权利要求书的范围内能够想象其他变化。

Claims (14)

1.一种天线(80、90)，具有单元(20、40)的一维或多维阵列，其中，至少部分所述阵列中的连续单元或单元组之间的间隔是非周期的并对应于单位间隔的一系列倍数，其中，至少五个所述连续单元或单元组的倍数遵循斐波纳契数列。

2.根据权利要求1的天线，至少一些所述单元具有亚毫米波长的波束形成能力。

3.根据权利要求1或2的天线，至少一些所述单元具有大于所述单位间隔的维度。

4.根据任何一个前面的权利要求的天线，具有带有两个主轴的二维阵列，并且对应于所述数列的所述间隔沿着至少一个所述主轴出现。

5.根据权利要求4的天线，其中，对应于所述数列的所述间隔沿着两个所述主轴都出现。

6.根据任何一个前面的权利要求的天线，其中，所述单位间隔被选择为2的平方根分之一乘以半波长。

7.根据权利要求1至3中任何一个的天线，具有二维阵列并且其中对应于所述数列的所述间隔沿着遵循螺旋的线出现。

8.根据权利要求7的天线，被安排为二维斐波纳契正方形平铺。

9.根据权利要求1至3中任何一个的天线，具有一维阵列并且其中对应于所述数列的所述间隔沿着所述阵列出现。

10.根据任何一个前面的权利要求的天线，被安排为适合用于亚毫米波长的信号。

11.根据权利要求10的天线，被安排为具有200至800毫米范围内的孔径。

12.一种亚毫米雷达系统(20)，具有根据任何一个前面的权利要求的天线，作为发射天线或作为接收天线。

13.一种车辆(30)，具有根据权利要求12的雷达系统。

14.一种制造天线的方法，所述方法具有通过下列方式确定天线单元(10)的间隔以形成单元的一维或多维阵列的初始步骤，所述方式为按照期望波长确定单元间隔，以及确定至少部分所述阵列中的连续单元或单元组之间的间隔以便成为非周期的并对应于单位间隔的一系列倍数，至少五个所述连续单元或单元组的倍数遵循斐波纳契数列。

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