CN105161861A - 一种调频连续波雷达的天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种调频连续波雷达的天线装置，包括用于发射雷达高频信号的发射天线、以及多组用于接收雷达回波的接收天线，发射天线为由多个第一微带天线阵元连接构成的矩形阵列结构，多组接收天线围绕发射天线的矩形阵列结构布置，多组接收天线至少包括两组分别布置在发射天线的水平面两侧的垂直面接收天线、以及两组分别布置在发射天线的垂直面两侧的水平面接收天线，两组垂直面接收天线、两组水平面接收天线均分别为一对双极化天线。本发明具有结构简单紧凑、制作成本低、能够实现目标三维位置测量，同时获得多极化目标信息的优点。

Description

一种调频连续波雷达的天线装置

技术领域

本发明涉及调频连续波雷达技术领域，尤其涉及一种调频连续波雷达的天线装置。

背景技术

调频连续波雷达是通过发射天线来发射高频电磁波，再通过接收天线接收目标的反射回波，从而通过混频、零中频滤波、中频放大、AD采样、信号处理等环节最后输出目标信息。由于调频连续波雷达具有辐射功率小、测距测速精度高、集成化程度高、低成本等优点，因而被广泛的应用于交通监控、汽车驾驶、工业控制、防入侵检测等民用领域中。调频连续波雷达在应用中，通常还需要获得目标在方位面的角度信息来满足探测需求，具体是通过在接收端配置至少两个接收天线来接收雷达回波，使得雷达回波到达两个天线的传播长度具有一定的差值，根据这个差值即可以通过分析处理信号中的相位差来计算得到目标的角度。

目前的调频连续波雷达通常只在方位面设置一组单极化的接收天线，由单极化发射天线辐射线性极化电磁波，再通过与发射天线同极化的接收天线接收回波来获得目标信息。目前的上述调频连续波雷达，一方面，由于只能获得目标在方位面的角度信息，因而实质上仅是基于二维位置测试的雷达，无法获得目标更为具体的三维位置信息；另一方面，极化信息能够反映电磁波的矢量特性，是电磁波除时域、频域和空域信息以外的又一可以利用的重要信息，可获取目标表面粗糙度、对称性和取向等其它参数难以表征的信息，因而是完整刻画目标特性不可或缺的重要参数，而通过单极化天线获得的目标特征有限，对实现目标识别造成了比较大的困难，且为提高目标识别能力，往往还需要通过其他途径来减小杂波干扰。

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、制作成本低、能够实现目标三维位置测量，同时获得多极化目标信息的调频连续波雷达的天线装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种调频连续波雷达的天线装置，包括用于发射雷达高频信号的发射天线、以及多组用于接收雷达回波的接收天线，所述发射天线为由多个第一微带天线阵元连接构成的矩形阵列结构，多组所述接收天线围绕所述发射天线的矩形阵列结构布置，多组所述接收天线至少包括两组分别布置在所述发射天线的水平面两侧的垂直面接收天线、以及两组分别布置在所述发射天线的垂直面两侧的水平面接收天线，两组所述垂直面接收天线、两组所述水平面接收天线均为一对双极化天线。

作为本发明进一步改进：每组所述接收天线包括两个以上具有相同结构的线性阵列，每组接收天线中各个所述线性阵列相互平行、间隔布置，每个所述线性阵列包括多个第二微带天线阵元、以及连接各个所述第二微带天线阵元的第二馈电网络。

作为本发明进一步改进：所述发射天线中第一微带天线阵元为圆极化微带天线阵元，各个所述圆极化微带天线阵元通过第一馈电网络连接。

作为本发明进一步改进：所述第一微带天线阵元为具有按等腰直角三角形被截断的一对相对角的矩形贴片结构。

作为本发明进一步改进：所述第二微带天线阵元为具有凹槽的矩形贴片结构，通过所述凹槽接入微带馈线以进行阻抗匹配。

作为本发明进一步改进：还包括高频基板，所述发射天线、接收天线均印刷在所述高频基板上。

作为本发明进一步改进：所述双极化天线为垂直极化天线以及水平极化天线，其中所述垂直面接收天线的垂直极化天线、水平极化天线均为水平设置，所述水平面接收天线的垂直极化天线、水平极化天线均为垂直设置。

作为本发明进一步改进：所述双极化天线为+45°斜极化天线、-45°斜极化天线，其中所述垂直面接收天线的+45°斜极化天线、-45°斜极化天线均为水平设置，所述水平面接收天线的+45°斜极化天线、-45°斜极化天线均为垂直设置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明调频连续波雷达的天线装置包括发射天线和多组接收天线，通过在方位面和俯仰面上分别设置两组接收天线，可以同时获得目标在方位面和俯仰面的角度信息，进而根据目标距离可以计算得到目标的全部位置信息，实现目标三维位置测量；同时方位面、俯仰面上两组接收天线分别为一对双极化天线，从而能够获得多极化的目标信息以减少杂波影响，同时获得与目标几何形状与结构相关的特征量，进而可以提高雷达对目标的识别能力；

2）本发明调频连续波雷达的天线装置中多组接收天线围绕发射天线布置，多组接收天线分别设置于垂直面、水平面的两侧，结构紧凑，利于实现垂直面、水平面上高效率的天线收发过程；进一步的接收天线的馈线延伸方向分别与发射天线的矩形阵列结构所形成的四条边界平行且具有指定间距，从而由接收天线围绕发射天线构成一个新的矩形结构，具有合理的收发天线布局，能够进一步提高雷达天线的收发效率。

附图说明

图1是本发明实施例1中调频连续波雷达的天线装置的结构示意图。

图2是本发明实施例1中调频连续波雷达的天线装置的布置原理示意图。

图3是本发明实施例1中发射天线的第一微带天线阵元的结构示意图。

图4是本发明实施例1中发射天线的第一馈电网络的结构原理示意图。

图5是本发明实施例1中接收天线的第二微带天线阵元结构示意图。

图6是本发明实施例1中线性阵列的第二馈电网络的结构原理示意图。

图7是本发明实施例1中发射天线的辐射方向图结果示意图。

图8是本发明实施例1中接收天线的一个线性阵列的辐射方向图结果示意图。

图9是本发明实施例2中调频连续波雷达的天线装置的结构示意图。

图例说明：11、发射天线；111、第一微带天线阵元；112、第一馈电网络；12、第一垂直面接收天线；13、第一水平面接收天线；14、第二垂直面接收天线；15、第二水平面接收天线。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例调频连续波雷达的天线装置，包括用于发射雷达高频信号的发射天线11、以及多组用于接收雷达回波的接收天线，发射天线11为由多个第一微带天线阵元111连接构成的矩形阵列结构，多组接收天线围绕发射天线11的矩形阵列结构布置，即围绕矩形阵列结构所形成的四周边缘布置。多组接收天线至少包括两组分别布置在发射天线11的水平面两侧的垂直面接收天线、以及两组分别布置在发射天线11的垂直面两侧的水平面接收天线，两组垂直面接收天线、两组水平面接收天线中均分别为一对双极化天线。

如图2所示，本实施例中设置12、13、14、15四组接收天线并围绕发射天线11布置，其中12和14接收天线为垂直面接收天线，分别位于水平面的两侧，用于接收垂直面上雷达回波以测量垂直面上的角度信息；13、15接收天线为水平面接收天线，分别位于垂直面的两侧，用于接收水平面上雷达回波以测量水平面上的角度信息。

采用上述结构，通过在方位面（水平面）和俯仰面（垂直面）上分别设置接收天线，可以同时获得目标在方位面和俯仰面的角度信息，进而根据目标距离可以计算得到目标的全部位置信息，实现目标三维位置测量；同时方位面、俯仰面上两组接收天线还分别为一对双极化天线，从而能够获得多极化的目标信息以减少杂波影响，同时获得与目标几何形状与结构相关的特征量，进而可以有效提高雷达的目标识别能力。

本实施例调频连续波雷达的天线装置中多组接收天线围绕发射天线11布置，多组接收天线分别设置于垂直面、水平面的两侧，结构紧凑，利于实现垂直面、水平面上高效率的天线收发过程。

本实施例中，发射天线11中第一微带天线阵元111为圆极化微带天线阵元，各个圆极化微带天线阵元通过第一馈电网络112连接。发射天线11采用由微带天线阵元构成的微带天线，具有辐射性能好、剖面低、易于与高频信号处理电路集成，且成本低等优点。如图1所示，本实施例中发射天线11具体是由64个圆极化微带天线阵元构成矩形阵列结构，发射天线11的矩形阵列结构位于各组接收天线的中心位置。发射天线11的矩形阵列结构中微带天线阵元个数具体可以根据雷达的主瓣宽度以及增益等参数进行设定。

如图3所示，本实施例中第一微带天线阵元111为具有按等腰直角三角形被截断的一对相对角的矩形贴片结构，包括方形天线阵元A11以及微带连接线A12。方形天线阵元A11的右上、左下的一对相对角通过切割等腰直角三角形的方式实现微扰，从而产生二个相互垂直的线极化波形成圆极化；微带连接线A12则用于连接第一微带天线阵元111和第一馈电网络112的阵元端口。

本实施例中，第一馈电网络112由64个阵元端口、多个阻抗变换线以及发射天线端口构成，包括1个垂直方向的主馈电网络和8个水平方向的具有相同结构的分馈电网络。如图3所示，主馈电网络关于发射天线端口A23的中心上下对称，本实施例以主馈电网络的上半部分A22为例进行具体说明。A22通过阻抗变换线A2221~A2227将发射天线端口A23输入的能量按指定比例且同相地分配到4个分馈电网络中，同时保持发射天线端口A23的阻抗匹配为50欧姆；分配到4个分馈电网络的指定激励比例具体可由副瓣大小（本实施例取-20dB）按照泰勒公式进行计算得到，从上到下的分馈电网络的分配比具体为0.41:0.82:1.24:1.46。

如图4所示，第一馈电网络112的分馈电网络关于主馈电网络的延伸方向左右对称，本实施例以分馈电网络的左半部分A21为例进行具体说明。A21通过阻抗变换线A2121~A2124把从主馈电网络的阵列端口输入的能量按指定比例且同相地分配到4个阵列端口A2111~A2114，阵列端口A2111~A2114分别连接4个第一微带天线阵元111且保持阻抗匹配；分配到4个第一微带天线阵元111的指定激励比例具体可由副瓣大小（本实施例取-20dB）按照泰勒公式计算，从左到下右的分馈电网络的分配比具体为0.41:0.82:1.24:1.46。

本实施例从发射天线端口A23馈入的能量按计算好的比例分配到64个第一微带天线阵元111上，并以圆极化方式辐射出去，垂直面上的方向图主要由主馈电网络的分配比确定，水平面上的方向图则由分馈电网络的分配比确定。本实施例垂直面和水平面方向图的副瓣均取为-20dB。

本实施例中，每组接收天线包括两个以上具有相同结构的线性阵列，每组接收天线中各个线性阵列相互平行、间隔布置，每个线性阵列包括多个第二微带天线阵元、以及连接各个第二微带天线阵元的第二馈电网络，每组接收天线即构成一个矩形微带天线阵列。每组接收天线通过平行设置两个线性阵列，可以根据两个线性阵列接收的目标回波计算得到目标的角度信息，实现角度测量。当然在其他实施例中，各个线性阵列的阵元数可以根据实际需求设置为不同。本实施例接收天线同时采用由微带天线阵元构成的微带天线，辐射性能好、剖面低、易于与高频信号处理电路集成且成本低等。

本实施例中，双极化天线为垂直极化天线以及水平极化天线，其中垂直面接收天线的垂直极化天线、水平极化天线均为水平设置，水平面接收天线的垂直极化天线、水平极化天线均为垂直设置，从而可以获取垂直面上两个正交极化的特征回波、以及水平面上两个正交极化的特征回波，获取目标的多极化信息。本实施例中各组垂直极化天线、水平极化天线具体可由相同微带天线阵元和相同馈电网络经不同旋转组合形成。

本实施例中，接收天线中第二微带天线阵元为具有凹槽的矩形贴片结构，通过凹槽接入微带馈线以进行阻抗匹配。如图5所示，本实施例第二微带天线阵元A3的辐射体为矩形贴片A31，极化方式为线性极化，通过将微带馈线A32伸入矩形贴片A31的方式，使接收天线的第二微带天线阵元A3获得较好的阻抗匹配。通过改变辐射贴片的姿态即可以产生不同线性极化方式的辐射，本实施例将第二微带天线A3正置形成垂直极化方式，将第二微带天线阵元A3旋转90°则形成水平极化方式。

如图6所示，接收天线中第二馈电网络A4包括阵元端口、阻抗变换线以及接收天线端口A43，且第二馈电网络关于接收天线端口A43的中心对称，本实施例以第二馈电网络的左半部分为例进行具体说明。阵元端口A411~A414与第二微带天线阵元相连，因此阵元端口的输入阻抗设为和第二微带天线阵元的输入阻抗相等；通过调整阻抗变化线A421~A425的宽度和长度，使接收天线端口A43的输入阻抗调整为50欧姆，同时从接收天线端口A43同相地分配到各阵元端口A411~A414的激励达到指定值。本实施例具体由-20dB副瓣大小按照泰勒公式计算得到指定激励分配比为0.41:0.82:1.24:1.46。

参见图1，本实施例垂直面接收天线具体包括位于发射天线11上侧的第一垂直面接收天线12、位于发射天线11下侧的第二垂直面接收天线14，其中第一垂直面接收天线12为水平设置的垂直极化微带天线阵列，第二垂直面接收天线14为水平设置的水平极化微带天线阵列；水平面接收天线22具体包括位于发射天线11右侧的第一水平面接收天线13、左侧的第二水平面接收天线15，第一水平面接收天线13为垂直设置的水平极化微带天线阵列，第二水平面接收天线15为垂直设置的垂直极化微带天线阵列。第一垂直面接收天线12、第二水平面接收天线15、第一水平面接收天线13以及第二水平面接收天线15的馈线延伸方向分别与发射天线11的矩形阵列结构所形成的四条边界平行且具有指定间距，从而由上述四组接收天线围绕发射天线11构成一个新的矩形结构，结构紧凑且具有合理的收发天线布局，能够有效提高雷达天线的收发效率。

本实施例第一垂直面接收天线12具体由相同结构的线性阵列12a和12b组成，且线性阵列12a和12b之间按照一定间距平行设置，间距大小具体由雷达的测角范围确定。线性阵列12a中微带天线阵元121a与第二微带天线阵元A3（如图5所示）的结构相同，馈电网络122a与第二馈电网络A4（如图6所示）的结构相同。馈电网络122a具体连接8个微带天线阵元121a，并形成水平设置的垂直极化微带天线阵列。

本实施例第二垂直面接收天线14具体由相同结构的线性阵列14a和14b组成，且线性阵列14a和14b之间按照一定间距平行设置，间距大小具体由雷达的测角范围确定。线性阵列14a中微带天线阵元141a具体可由第二微带天线阵元A3（如图5所示）顺时钟旋转270°后，再增加一小段90°的旋转枝节得到；线性阵列14a的馈电网络142a具体可通过第二馈电网络A4（如图6所示）顺时钟旋转180°得到。线性阵列142a具体连接8个微带天线阵元141a，并形成水平设置的水平极化微带天线阵列。

本实施例第一水平面接收阵列13具体由相同结构的线性阵列13a和13b组成，且线性阵列13a和13b之间按照一定间距平行设置，间距大小具体由雷达的测角范围确定。线性阵列13a中微带天线阵元具体可以通过将第二微带天线阵元A3（如图5所示）顺时钟旋转90°得到，线性阵列13a的馈电网络具体通过将第二馈电网络A4（如图6所示）顺时钟旋转90°得到。线性阵列13a具体连接8个微带天线阵元，并形成垂直设置的水平极化微带天线阵列。第一水平面接收阵列13也可以直接由第一垂直面接收天线12顺时钟旋转90°得到。

本实施例第二水平面接收天线15具体由相同结构的线性阵列15a和15b组成，且线性阵列15a和15b之间按照一定间距平行设置，间距大小具体由雷达的测角范围确定。线性阵列15a中微带天线阵元由第二微带天线阵元A3（如图5所示）增加一小段90°的旋转枝节得到；线性阵列15a的馈电网络为由第二馈电网络A4（如图6所示）顺时钟旋转270°得到。线性阵列152具体连接8个微带天线阵元，并形成垂直设置的垂直极化微带天线阵列。第二垂直面接收天线15也可以直接由第二垂直面接收天线14顺时钟旋转90°得到。

当然在其他实施例中，上述第一垂直面接收天线12与第二垂直面接收天线14之间的位置、第一水平面接收天线13与第二水平面接收天线15之间的位置可相互交换，其原理与上述一致。

本实施例中，还包括高频基板，发射天线11、接收天线均印刷在高频基板上，即发射天线11、接收天线均为印刷在高频基板上的微带天线。

工作时，调频连续波雷达的高频电磁波经发射天线端口A23馈入发射天线11的阵列中，并以圆极化方式辐射出去，四组接收天线均能接收到目标回波，通过其中垂直面接收天线获取的垂直面角度信息以及水平面接收天线获取的水平面角度信息，从而计算得到目标的三维目标位置信息。第一垂直面接收天线12和第二水平面接收天线15只能接收到目标回波中的垂直极化分量，第一垂直面接收天线12的两个线性阵列接收到的目标回波经过高频模拟电路、低频模拟电路和数字处理后能够计算出目标在垂直面上的角度信息；第二水平面接收天线15的两个线性阵列接收到的目标回波经过高频模拟电路、低频模拟电路和数字处理后能够计算出目标在水平面上的角度信息。第一垂直面接收天线12、第二水平面接收天线15中任一线性阵列接收到的目标回波经过处理后均可以得到目标的距离和速度信息，进而调频连续波雷达根据第一垂直面接收天线12、第二水平面接收天线15测得目标的垂直面角度、水平面角度以及距离可以计算得到目标的三维位置信息。

另一方面，第一水平面接收天线13和第二垂直面接收天线14只能接收到目标回波中的水平极化分量，其中第一水平面接收天线13的两个线性阵列接收到的目标回波经过处理后能够计算出目标在水平面上的角度信息，第二垂直面接收天线14的两个线性阵列的目标回波经过处理后能够计算出目标在垂直面上的角度信息。第一水平面接收天线13和第二垂直面接收天线14中任一线性阵列接收到的目标回波经过处理后均可以得到目标的距离和速度信息，进而调频连续波雷达根据第一水平面接收天线13和第二垂直面接收天线14测得目标的水平面角度、垂直面角度以及距离可以计算得到目标的三维位置信息。

同时，调频连续波雷达在垂直面以及水平面上均获得了关于目标的两个正交极化的特征回波（垂直极化以及水平极化特征回波），其中由第一垂直面接收天线12接收垂直面上垂直极化回波分量，而第二垂直面接收天线14接收垂直面上水平极化回波分量；第一水平面接收天线13接收水平面上水平极化回波分量，而第二水平面接收天线15接收水平面上垂直极化回波分量，从而能够获取得到目标的多级化特征信息。由于与单极化的目标回波相比，多极化的目标回波能够包含更多的关于目标的特征信息，因此利用相关算法即可以方便的将目标的多极化信息以及多特征进行融合处理，从而基于多极化信息可以减少杂波影响，获得与目标几何形状与结构相关的特征量，有效提高了雷达对目标的识别能力。

如图7所示为本实施例中发射天线11的矩形阵列结构的辐射方向图，其中实线表示水平面的辐射方向图，虚线表示垂直面的辐射方向图，由图中可知，采用上述结构的发射天线11在水平面的辐射方向图的半功率波束宽度为12.3°，副瓣电平小于-19dB；垂直面的辐射方向图的半功率波束宽度为13.4°，副瓣电平小于-20dB。

本实施例四组接收天线的共八个线性阵列的辐射方向图相同，如图8所示为接收天线2的一个线性阵列的辐射方向图，其中实线表示水平面的辐射方向图，虚线表示垂直面的辐射方向图，采用上述结构及布置方式的线性阵列，水平面的辐射方向图的半功率波束宽度为82°，垂直面的辐射方向图的半功率波束宽度为15°，副瓣电平小于-21dB。

实施例2：

如图9所示，本实施调频连续波雷达的天线装置与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例中双极化天线采用+45°斜极化天线、-45°斜极化天线，其中垂直面接收天线的+45°斜极化天线、-45°斜极化天线均为水平设置，水平面接收天线的+45°斜极化天线、-45°斜极化天线均为垂直设置。通过微带天线阵元可以方便的实现+45°斜极化方式和-45°斜极化方式，具体可以将如图4所示的垂直极化微带天线阵元逆时针旋转45°，即可形成-45°斜极化微带天线阵元。

本发明上述天线装置的应用频段可以为24GHz频段，具体可以应用在K波段调频连续波雷达的射频前端，也可以应用于其他频段的调频连续波雷达中。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种调频连续波雷达的天线装置，其特征在于：包括用于发射雷达高频信号的发射天线（11）、以及多组用于接收雷达回波的接收天线，所述发射天线（11）为由多个第一微带天线阵元（111）连接构成的矩形阵列结构，多组所述接收天线围绕所述发射天线（11）的矩形阵列结构布置，多组所述接收天线至少包括两组分别布置在所述发射天线（11）的水平面两侧的垂直面接收天线、以及两组分别布置在所述发射天线（11）的垂直面两侧的水平面接收天线，两组所述垂直面接收天线、两组所述水平面接收天线均为一对双极化天线。

2.根据权利要求1所述的调频连续波雷达的天线装置，其特征在于：每组所述接收天线包括两个以上具有相同结构的线性阵列，每组接收天线中各个所述线性阵列相互平行、间隔布置，每个所述线性阵列包括多个第二微带天线阵元、以及连接各个所述第二微带天线阵元的第二馈电网络。

3.根据权利要求2所述的调频连续波雷达的天线装置，其特征在于：所述发射天线（11）中第一微带天线阵元（111）为圆极化微带天线阵元，各个所述圆极化微带天线阵元通过第一馈电网络（112）连接。

4.根据权利要求3所述的调频连续波雷达的天线装置，其特征在于：所述第一微带天线阵元（111）为具有按等腰直角三角形被截断的一对相对角的矩形贴片结构。

5.根据权利要求4所述的调频连续波雷达的天线装置，其特征在于：所述第二微带天线阵元为具有凹槽的矩形贴片结构，通过所述凹槽接入微带馈线以进行阻抗匹配。

6.根据权利要求5所述的调频连续波雷达的天线装置，其特征在于：还包括高频基板，所述发射天线（11）、接收天线均印刷在所述高频基板上。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的调频连续波雷达的天线装置，其特征在于：所述双极化天线为垂直极化天线以及水平极化天线，其中所述垂直面接收天线的垂直极化天线、水平极化天线均为水平设置，所述水平面接收天线的垂直极化天线、水平极化天线均为垂直设置。

8.根据权利要求1～6中任意一项的调频连续波雷达的天线装置，其特征在于：所述双极化天线为+45°斜极化天线、-45°斜极化天线，其中所述垂直面接收天线的+45°斜极化天线、-45°斜极化天线均为水平设置，所述水平面接收天线的+45°斜极化天线、-45°斜极化天线均为垂直设置。