CN104931936A - 一种双波束雷达传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波束雷达传感器，它包括发射机、接收机和信号处理机，所述发射机通过一个发射天线辐射发射信号，所述接收机通过一个接收天线接收在目标上反射的发射信号并混频到的频信号，所述信号处理机用于处理接收机的混频信号；在所述发射天线和接收天线中各包含一个设置在平面印刷电路板的辐射体，所述辐射体用来产生两个波束，所述两个波束的极化方式相互正交。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、适用范围广等优点。

Description

一种双波束雷达传感器

技术领域

本发明主要涉及到雷达传感设备领域，特指一种双波束雷达传感器。

背景技术

目前，雷达传感器被广泛应用于各个领域。毫米波雷达发射的电磁波波长通常为几毫米，对于相同口径的天线尺寸，毫米波天线的波束更窄，增益更高，并且它具有较高的测角和测距精度，因此在民用领域得到了广泛的应用，典型的应用领域如汽车主动安全以及区域安全防护。

雷达传感器作为毫米波雷达的主要部件，其硬件结构由射频前端、信号调理电路组成，射频前端包括射频电路和收发天线。采用调频连续波（Frequency Modulation Continuous Waves，FMCW）体制的单发单收毫米波雷达还能够获取目标的速度信息，采用多收天线能获取目标的角度信息。对于传统的毫米波传感器，其传感器天线的方向图只有一个固定的主波束，称之为单波束雷达，如果传感器天线的主波束能够在一定角度范围内实现波束扫描，则称之为电扫雷达。由于电扫雷达需要一定数量的模拟或者数字移相器，其成本较固定波束雷达传感器高得多，因此民用领域主要采用低成本的单波束雷达传感器。

以周界安防为例，周界安防要求当入侵目标穿越周界或者在周界附近活动时能够通过实时地给出报警信息，为此周界安防通常使用多种传感器的组合来获得入侵目标的信息，如雷达传感器。雷达传感器通过天线的辐射来覆盖待防护的区域。表征天线的辐射特性的一个重要参数是天线的辐射方向图，以下称辐射方向图的主波束为波束。发射天线和接收天线的波束决定了雷达传感器探测区域。对于周界防护，还要求发射天线具有窄波束和高增益的特性。

现有技术中，常使用单波束辐射的雷达传感器应用于周界防护，它具有单个发射天线，发射天线能够产生一个固定的波束，当应用于周界安防使单个波束只能覆盖一条周界线，如果对整个方形周界的四条边界进行防护，那么需要至少四个雷达传感器，这会显著提高系统成本。具有电扫天线的相控阵雷达传感器，其电扫天线需要大量的模拟或者数字移相器，这些移相器的成本很高，会大大提高雷达传感器的成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、适用范围广的双波束雷达传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种双波束雷达传感器，它包括发射机、接收机和信号处理机，所述发射机通过一个发射天线辐射发射信号，所述接收机通过一个接收天线接收在目标上反射的发射信号并混频到中频信号，所述信号处理机用于处理接收机的中频信号；在所述发射天线和接收天线中各包含一个设置在平面印刷电路板的辐射体，所述辐射体用来产生两个波束；所述两个波束的极化方式相互正交。

作为本发明的进一步改进：所述两个波束为固定波束，两个波束间的夹角为90°，两个波束的中心轴线与平面印刷电路板的垂线在同一方位面上，并且所述两个波束的中心轴线与平面印刷电路板的垂线的夹角分别为45°。

作为本发明的进一步改进：所述发射天线和接收天线设置在平面印刷电路板的正面，用来处理高频信号的发射机和接收机设置在所述平面印刷电路板的背面，位于平面印刷电路板正面的发射天线和接收天线通过金属化过孔分别与背面的发射机电路和接收机电路相连。

作为本发明的进一步改进：所述辐射体为印刷结构的阵列天线，所述阵列天线为贴片天线阵列或缝隙天线阵列。

作为本发明的进一步改进：所述辐射体的两个波束的夹角在谐振频率上为90°。

作为本发明的进一步改进：所述辐射体的两个波束的极化方式相互正交，两个波束的极化方式可以是±45°斜极化、水平/垂直线极化或者左/右旋圆极化。

作为本发明的进一步改进：所述辐射体的波束为窄波束，波束在方位面的半功率波束宽度小于15°，波束在俯仰面的半功率波束宽度小于30°。

作为本发明的进一步改进：所述辐射体的两个波束为辐射体辐射方向图的主波束，在方位面上除主波束外的其它波束为副瓣，所述副瓣电平比主波束的最大电平小18dB以上。

作为本发明的进一步改进：所述发射天线和接收天线的辐射体在平面印刷电路板上沿上、下方向按一定间距错开设置。

作为本发明的进一步改进：所述发射天线的辐射体的波束和接收天线的辐射体的波束重叠，且发射天线的辐射体的波束宽度小于或等于所述接收天线的辐射体的波束宽度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1. 本发明双波束雷达传感器为具有正交极化辐射的双波束雷达传感器，能够同时产生两个极化方式相互正交的波束，两个波束可以同时覆盖两个区域，扩大了雷达传感器的探测区域。

2. 本发明双波束雷达传感器，在具体应用时（如：周界防护），能够同时探测两条周界线，从而减少周界防护所需传感器数量，在具有其他功能的情况下可以导致系统成本的显著降低。

3. 本发明双波束雷达传感器，在具体应用时（如：周界防护），通过合理的配置就可以使得多个雷达避免相互干扰，而不需要使用其他代价更高的方法来解决雷达间的干扰问题。尤其对于FMCW雷达，工作频率的重复利用能够增加系统设计的灵活性，降低了整个系统的成本。

4. 本发明双波束雷达传感器，天线的馈电端口只有一个，本质上为一个天线。本发明产生的两个波束的极化方式相互正交，而传统天线波束的极化方式不一定正交；本发明双波束雷达传感器，天线形式为平面天线，而传统雷达传感器的天线为非平面天线，平面天线的成本更低，更容易集成。

附图说明

图1是本发明雷达传感器的横向剖面图。

图2是本发明雷达传感器的高频印刷电路板的正面天线示意图。

图3是本发明雷达传感器的高频印刷电路板的背面高频信号电路示意图。

图4是本发明雷达传感器的天线波束示意图。

图5是本发明雷达传感器的天线波束在方位面的归一化示意图。

图6是本发明雷达传感器的天线波束在俯仰面的归一化示意图。

图7是本发明雷达传感器应用于方形防护区的设置示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的双波束雷达传感器为具有正交极化辐射的双波束雷达传感器，它包括发射机、接收机和信号处理机，发射机通过一个发射天线101辐射发射信号，接收机通过一个接收天线102接收在目标上反射的发射信号并混频到的信号，信号处理机用于处理接收机的混频信号；在上述发射天线101和接收天线102中各包含一个设置在平面印刷电路板的辐射体，该辐射体能够产生两个波束。上述两个波束为固定波束，两个波束间的夹角为90°，两个波束的中心轴线与印刷电路板的垂线在同一方位面上，并且两个波束的中心轴线与印刷电路板的垂线的夹角分别为45°，两个波束的极化方式相互正交。

在本实施例中，本发明雷达传感器的发射天线101和接收天线102设置在平面印刷电路板的正面，用来处理高频信号的发射机和接收机设置在平面印刷电路板的背面，位于平面印刷电路板正面的发射天线101和接收天线102通过金属化过孔分别与背面的发射机电路和接收机电路相连。

在本实施例中，本发明雷达传感器的辐射体为印刷结构的阵列天线，根据实际需要可以选择贴片天线阵列和缝隙天线阵列。

在本实施例中，辐射体的两个波束的夹角在谐振频率上为90°；当频率在工作带宽内偏离谐振频率时，受扫频特性的影响，两个波束的夹角会在90°附近变化。

在本实施例中，辐射体的两个波束的极化方式相互正交，两个波束的极化方式可以是±45°斜极化、水平/垂直线极化或者左/右旋圆极化。

在本实施例中，辐射体的波束为窄波束，波束在方位面的半功率波束宽度小于15°，波束在俯仰面的半功率波束宽度小于30°。由此，在获得较高天线增益的同时还能使得雷达的探测宽度在距雷达较远距离位置不至于扩散的太宽。

在本实施例中，辐射体的两个波束为辐射体辐射方向图的主波束，在方位面上除主波束外具有其它波束，称为副瓣，副瓣电平比主波束的最大电平小18dB以上。由此，可以极大的减小来其主波束外方向的运动目标造成的干扰。

可以理解，上述发射天线101和接收天线102的辐射体可以完全相同、也可以不同，用以实现辐射体的具体形式有很多种，发射天线101和接收天线102不局限于同一种天线具体形式。

在本实施例中，发射天线101和接收天线102的辐射体在平面印刷电路板上沿上、下方向按一定间距错开设置，通过独立且间隔一定间距的的发射天线101和接收天线102使得高频收发电路间的隔离度增加，进而提高雷达传感器的探测灵敏度。

在本实施例中，发射天线101的辐射体的波束和接收天线102的辐射体的波束重叠，且发射天线101的辐射体的波束宽度小于或等于所述接收天线102的辐射体的波束宽度。

在使用时，多个本发明的雷达传感器同时工作时，通过合理的设置可以避免了两个雷达间的相互干扰。为了便于描述，规定所述雷达传感器的两个波束分别为左波束10011和右波束10021，左波束10011和右波束10021的极化方式正交。

下面就两个雷达传感器进行说明，通过合理设置可以使得其中一个雷达传感器的左/右波束的发射电磁波只能被另一个雷达的右/左波束接收，由于左右波束的极化方式正交，两个雷达传感器的发射信号不会相互干扰。合理设置可以通过下面两种具体设置方法实现：

两个雷达传感器面对面平行放置，以使两个雷达传感器的四个波束的中心线构成一个长方形。

两个雷达传感器侧面相对呈90°夹角，其中一个雷达传感器的左波束10011的中轴线和另一个雷达传感器的右波束10021的中轴线重合，雷达传感器的右波束10021的中轴线和另一个雷达传感器的左波束10011的中轴线平行。

雷达传感器为连续波CW体制或FMCW波体制，当运动的入侵目标出现在所述雷达传感器的两个波束的探测范围内时，发射机通过发射天线101发射的电磁波信号遇到入侵目标产生散射现象，目标反射信号经接收天线102进入接收机，接收机对高频的目标反射信号进行处理输出中频信号，中频信号进入信号处理机计算目标的运动状态，包括径向速度、目标距离、目标RCS等信息，进而根据目标信号给出报警信息。

如图1所示， 为在具体应用过程中一个工作在24GHz的雷达传感器的剖面。本发明的雷达传感器在正面被一个塑料外壳30包围，塑料外壳30作为雷达天线罩。为了使高频电磁波尽可能的不受影响的穿过雷达天线罩，天线上方的天线罩为平面结构，天线罩的厚度和位置应根据天线罩的介电常数计算。通常，天线罩厚度为24GHz高频电磁波在塑料介质中的波长的一半，天线罩下表面离天线面的间距为24GHz高频电磁波在空气介质中的波长的一半。整个传感器位于金属外壳40里，金属外壳40作为雷达传感器外壳的一部分，起到屏蔽外界电磁波干扰的作用。

雷达天线罩的下方是工作在24GHz的高频电路板10，高频电路板10包括发射天线101、接收天线102以及处理高频信号的电路103。其中，发射天线101和接收天线102印刷在高频电路板10的正面，处理高频信号的电路103设置在高频电路板10的背面。高频电路板10背面有一个金属化屏蔽腔50，用于防止雷达传感器内部的高低频串扰。用于中频信号处理以及数字信号分析处理的低频电路板30位于金属化屏蔽腔50和金属外壳40之间。另外，一系列结构性支撑件60用于固定传感器内部的各个组件。

如图2和图3所示，为具体应用实例中高频电路板10的正面和背面的示意图。图2上的发射天线101和接收天线102通过金属化过孔与图3上处理高频信号的电路连接。发射天线101用于辐射高频发射信号，接收天线102用于接收在目标上反射的高频发射信号。发射天线101和接收天线102具有相同印刷结构的辐射体。

辐射体的形式为贴片天线阵列，由168个贴片单元通过馈电网络进行连接。辐射体包括对称分布的左辐射体1001和右辐射体1002。左辐射体1001包括6行辐射-45°斜极化电磁波的贴片子阵，每个子阵由14个贴片单元通过串馈线连接。右辐射体1002包括6行辐射+45°斜极化电磁波的贴片子阵，每个子阵由14个贴片单元通过串馈线连接。左辐射体1001和右辐射体1002由位于中间位置的串馈线连接，馈入辐射体的能量平均的分配到左辐射体1001和右辐射体1002。

如图4所示，通过控制辐射体上的馈电网络可以控制左辐射体1001和右辐射体1002的各贴片单元的馈电幅度和馈电相位，进而产生两个主波束，以下简称为波束。左辐射体1001产生左波束10011，极化方式为-45°斜极化。右辐射体1002产生右波束10021，极化方式为+45°斜极化。左波束10011的中心线100111和右波束10021的中心线100211与天线面的10041的垂线100311位于同一方位面10031上。左波束10011的中心线100111和右波束的10021中心线100211的夹角为90°，且垂线将所述夹角平分。

如图5所示，为辐射体在方位面10031上的辐射方向图，横轴的0°纵轴表示垂线方向。图中实线表示-45°斜极化的辐射方向图，虚线表示+45°斜极化的辐射方向图。-45°斜极化的辐射方向图的主波束为左波束10011，最大值方向为-45°，+45°斜极化的辐射方向图的主波束为右波束10021，最大值方向为+45°。由于左右辐射体的对称性，-45°斜极化的辐射方向图和+45°斜极化的辐射方向图关于0°纵轴对称。左/右波束的半功率波束宽度为10.6°，副瓣电平小于-20dB。

在图4中，左波束10011的俯仰面为经过中轴线100111并垂直于方位面10031的平面，右波束10021的俯仰面为经过中轴线100211并垂直于方位面10031的平面。如图6所示，为辐射体在两个俯仰面上的辐射方向图，实线表示-45°斜极化的辐射方向图，虚线表示+45°斜极化的辐射方向图。-45°斜极化的辐射方向图和+45°斜极化的辐射方向图重合。左波束10011与右波束10021的半功率波束宽度为29°，副瓣电平小于-15dB。

下面以本发明的雷达传感器应用于周界防护的具体方案及应用效果做进一步描述。

如图7所示，方形周界的边长小于雷达传感器的最大作用距离。在方形周界对角线连接的两个直角处分别设置一个本发明的雷达传感器，使得其中一个雷达传感器的两个波束分别覆盖构成该直角的两条周界，另一个雷达传感器的两个波束分别覆盖构成另一直角的两条周界。因此利用两个本发明的雷达传感器就实现了对整个方形周界的防护。

具体描述，方形防护区域3具有4条需要防护的周界，分别为周界311、312、321和322。在周界311和312构成的直角31处部署所述第一雷达传感器1, 第一雷达传感器1的天线面垂直于地平面放置，使得第一雷达传感器1的第一左波束11的中心线与周界311平行，第一雷达传感器1的右波束21的中心线与周界312平行。在周界321和322构成的直角32处部署所述第二雷达传感器2, 第二雷达传感器2的天线面垂直于地平面放置，使得第二雷达传感器2的第二左波束21的中心线与周界321平行，第二雷达传感器2的第二右波束22的中心线与周界322平行。

穿越周界311和312边线的入侵目标能够被所述第一雷达传感器1探测到，穿越周界321和322边线的入侵目标能够被所述第二雷达传感器2探测到。区域33为第一雷达传感器1的第一左波束11的覆盖区域和第二雷达传感器2的第二左波束22的覆盖区域的重叠区域，区域34为第一雷达传感器1的第一左波束12的覆盖区域和第二雷达传感器2的第二左波束21的覆盖区域的重叠区域，处于区域33和34处的运动目标能够同时被所述第一雷达传感器1和第二雷达传感器2探测到。

上述的设置方案能够避免第一雷达传感器1和第二雷达传感器2间的相互干扰。第一雷达传感器1发的第一左波束11发射的电磁波会传播到第二雷达传感器2，且只可能被第二雷达传感器2的第二右波束22接收到，由于第一左波束11极化方式与第二右波束22的极化方式相互正交，因此第一雷达传感器1的第一左波束11的发射电磁波不会对第二雷达传感器2产生干扰。第一雷达传感器1发射天线的第一右波束12发射的电磁波会传播到第二雷达传感器2，且只可能被第二雷达传感器2的第二左波束21接收到，由于第一右波束12极化方式与第二左波束21的极化方式相互正交，因此第一雷达传感器1的第一右波束12的发射电磁波不会对第二雷达传感器2产生干扰。同理，第二雷达传感器2的第二左波束21发射的电磁波会传播到第一雷达传感器1，且只可能被第一雷达传感器1的第一右波束12接收到，由于第二左波束21极化方式与第二右波束21的极化方式相互正交，因此第二雷达传感器2的第二左波束21的发射电磁波不会对第一雷达传感器1产生干扰。第二雷达传感器2的第二右波束22发射的电磁波会传播到第一雷达传感器1，且只可能被第一雷达传感器1接收天线的第一左波束11接收到，由于第二右波束22极化方式与第一左波束11的极化方式相互正交，因此第二雷达传感器2的第二右波束22的发射电磁波不会对第一雷达传感器1产生干扰。

由上可知，在方形周界防护中，应用本发明的雷达传感器能够减少所需雷达传感器的数量并避免两个雷达传感器间的相互干扰，进而降低系统成本。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双波束雷达传感器，其特征在于，它包括发射机、接收机和信号处理机，所述发射机通过一个发射天线辐射发射信号，所述接收机通过一个接收天线接收在目标上反射的发射信号并混频到的频信号，所述信号处理机用于处理接收机的混频信号；在所述发射天线和接收天线中各包含一个设置在平面印刷电路板的辐射体，所述辐射体用来产生两个波束，所述两个波束的极化方式相互正交。

2.根据权利要求2所述的双波束雷达传感器，其特征在于，所述两个波束为固定波束，两个波束间的夹角为90°，两个波束的中心轴线与平面印刷电路板的垂线在同一方位面上，并且所述两个波束的中心轴线与平面印刷电路板的垂线的夹角分别为45°。

3.根据权利要求2所述的双波束雷达传感器，其特征在于，所述发射天线和接收天线设置在平面印刷电路板的正面，用来处理高频信号的发射机和接收机设置在所述平面印刷电路板的背面，位于平面印刷电路板正面的发射天线和接收天线通过金属化过孔分别与背面的发射机电路和接收机电路相连。

4.根据权利要求3所述的双波束雷达传感器，其特征在于，所述辐射体为印刷结构的阵列天线，所述阵列天线为贴片天线阵列或缝隙天线阵列。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的双波束雷达传感器，其特征在于，所述辐射体的两个波束的夹角在谐振频率上为90°。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的双波束雷达传感器，其特征在于，所述辐射体的两个波束的极化方式为±45°斜极化、水平/垂直线极化或者左/右旋圆极化。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的双波束雷达传感器，其特征在于，所述辐射体的波束为窄波束，所述窄波束在方位面的半功率波束宽度小于15°，所述窄波束在俯仰面的半功率波束宽度小于30°。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的双波束雷达传感器，其特征在于，所述辐射体的两个波束为辐射体辐射方向图的主波束，在方位面上除主波束外的其它波束为副瓣，所述副瓣电平比主波束的最大电平小18dB以上。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的双波束雷达传感器，其特征在于，所述发射天线和接收天线的辐射体在平面印刷电路板上沿上、下方向按一定间距错开设置。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的双波束雷达传感器，其特征在于，所述发射天线的辐射体的波束和接收天线的辐射体的波束重叠，且发射天线的辐射体的波束宽度小于或等于所述接收天线的辐射体的波束宽度。