CN106571536B - 利用俯仰检测的mimo天线 - Google Patents

Abstract

一种用于雷达系统的多入多出(MIMO)天线(520)，包括接收天线(520)、第一发射天线布置(822)和第二发射天线布置(824)。该接收天线(120)配置为检测由目标朝向该接收天线(120)反射的雷达信号(920)。第一发射天线布置(822)包括第一垂直阵列(870)的辐射器元件(136)和第二垂直阵列(872)的辐射器元件(136)。第二发射天线布置(824)包括第三垂直阵列(874)的辐射器元件(136)和第四垂直阵列(876)的辐射器元件(136)。第二发射天线布置(824)以垂直偏移距离(126)从第一发射天线布置(822)垂直地偏移，所述垂直偏移距离被选择以便到目标的俯仰角可以由接收天线(120)确定。

Description

利用俯仰检测的MIMO天线

相关申请的交叉引用

本申请是要求2014年3月5日提交的题为“MIMO ANTENNA WITH ELEVATIONDETECTION”的美国专利申请No.14/197404的部分继续申请，其全部公开在此通过引用纳入本文。

技术领域

本公开一般涉及用于雷达系统的多入多出(MIMO)天线，并且尤其涉及使一个发射天线与另一个垂直偏移以便可以确定到目标的俯仰角(elevation angle)。

背景技术

当今使用的许多地面的车辆(例如，汽车)雷达系统仅能确定到目标或物体的距离和水平或方位角。用于此类系统的发射天线和接收天线典型地分别为垂直阵列的辐射器和检测器元件或小块。然而，已经认识到确定到物体的垂直或俯仰角是期望的，以便诸如桥梁或建筑悬垂部分的物体不会无意地指定为处于车辆行进路径中的物体。

作为对于成本因素尤为明杆的汽车雷达系统，发射天线输出和接收天线输入的数目一般保持为最小。发射天线和接收天线的数目影响在方位和俯仰中雷达空间能力，并且也驱动系统成本。即，更多天线以升高成本的代价提供更好的能力。之前增加俯仰分辨率的尝试不期望地增加了发射天线和/或接收天线的数目，伴随着随之而来的系统成本中的增加。为了增加天线增益，接收天线可以由多个串或阵列的检测器元件。平行的阵列增加子阵列的相位中心之间的间隔，其导致栅瓣，栅瓣造成用于各种方位角的接收天线敏感度的不期望的大的变化。减小栅瓣的一个方法是提供模拟波束形成器,该波束形成器设计来重叠子阵列,以降低子阵列的相位中心之间的间隔。然而，此途径典型地要求复杂的多层供给结构(multi-layer feed structure)，该结构导致不期望的高成本。

发明内容

根据一实施例，本发明提供了一种用于雷达系统的多入多出(MIMO)天线。该天线包括接收天线、第一发射天线布置、和第二发射天线布置。该接收天线配置为检测由目标朝向该接收天线反射的雷达信号。该第一发射天线布置包括第一垂直阵列的辐射器元件和第二垂直阵列的辐射器元件。该第一发射天线布置被配置为使得第一垂直阵列可选择性地耦合到发射器而与第二垂直阵列无关。该第二发射天线布置包括第三垂直阵列的辐射器元件和第四垂直阵列的辐射器元件。该第二发射天线布置被配置为使得第三垂直阵列可选择性地耦合到发射器而与第四垂直阵列无关。该第二发射天线布置以垂直偏移距离从第一发射天线布置垂直地偏移，所述垂直偏移距离被选择以便到目标的俯仰角可以由接收天线确定。

在另一实施例中，提供了一种用于雷达系统的多入多出(MIMO)天线的发射部分。该发射部分仅包括第一发射天线布置和第二发射天线布置。第一发射天线布置仅包括第一垂直阵列的辐射器元件和第二垂直阵列的辐射器元件。该第一发射天线布置被配置为使得第一垂直阵列可选择性地耦合到发射器而与第二垂直阵列无关。该第二发射天线布置仅包括第三垂直阵列的辐射器元件和第四垂直阵列的辐射器元件。该第二发射天线布置被配置为使得第三垂直阵列可选择性地耦合到发射器而与第四垂直阵列无关。该第二发射天线布置以垂直偏移距离从第一发射天线布置垂直地偏移，所述垂直偏移距离被选择以便到目标的俯仰角可以由接收天线确定。

在阅读优选实施例的下列详细描述后，进一步的特征和优势将更清楚地呈现，该优选实施例仅作为非限制性的示例且参照附图而给出。

附图说明

现在将参照附图借助示例来描述本发明，在附图中：

图1A是根据一实施例的用于雷达系统的多入多出(MIMO)天线；

图1B是从图1A的MIMO天线的配置产生的等效的垂直接收天线；

图2A是根据一个实施例的用于雷达系统的MIMO天线；

图2B是从图2A的MIMO天线的配置产生的等效的垂直接收天线；

图3A是根据一实施例的图1A的MIMO天线的性能特征的图表；

图3B是根据一实施例的图4A的MIMO天线的性能特征的图表；

图4A是根据一个实施例的用于雷达系统的MIMO天线；

图4B是从图4A的MIMO天线的配置产生的等效的垂直接收天线；

图5A是根据一个实施例的用于雷达系统的MIMO天线；

图5B是从图5A的MIMO天线的配置产生的等效的垂直接收天线；

图6A是根据一个实施例的用于雷达系统的MIMO天线；

图6B是从图6A的MIMO天线的配置产生的等效的垂直接收天线；

图7A是根据一个实施例的用于雷达系统的MIMO天线；

图7B是从图7A的MIMO天线的配置产生的等效的垂直接收天线；

图8是根据一个实施例的用于雷达系统的MIMO天线(左侧)，以及从图7A的MIMO天线的配置产生的等效的垂直接收天线(右侧)；

图9是根据一实施例的用于图7A的MIMO天线的发射器；以及

图10是由图7A的MIMO天线发射的雷达信号强度图案的视图。

具体实施方式

通常，多入多出(MIMO)天线架构提供了具有改善的空间覆盖和分辨率的电子扫描。MIMO操作典型地要求沿着多个发射器和接收器的多发射和多接收天线。然而，本文所给出的教示也可以适用于更简单的接收天线配置，例如，包含单个元件的单个接收天线。本文描述了不同配置的MIMO天线，其中发射和接收天线的数目取决于方位(水平)和俯仰(垂直)全部两个维度所要求的空间覆盖和分辨率。发射器和接收器的数目可以等于发射和接收天线的数目，或者相应地发射和/或接收天线之间所分时作业的更少的数目。然而，为了最佳性能，使用平行的发射和接收信道，每个天线一个信道而不是时分作业。

发射和接收天线的数目影响在方位和俯仰中雷达空间能力，并且也影响系统成本。通常，更多天线以升高成本的代价提供更好的能力。如将要更细致解释的，提供适合方位分辨率的天线或系统可以按增加俯仰分辨率的直接方式重新配置。即，本文描述的MIMO天线的某些配置提供了方位和俯仰分辨率二者，而不增加与仅提供方位(或仅俯仰)分辨率的配置相比的发射或接收天线的数目，同时提供了可接受的栅瓣特征。换言之，以提供充足的方位分辨率的配置开始，本文所描述的改进增加了某些程度的俯仰分辨率，而不增加发射(TX)天线或接收(RX)天线的数目。

本文描述的某些MIMO配置的另外方面涉及在水平维度上的多个TX和RX通信的间隔，其同时提供了更高增益的天线和半波长间隔的垂直合成阵列来避免栅瓣。更大、更高增益的天线，与更小、更低增益的天线相比，提供更好的检测范围和更高的空间分辨率。为了避免栅瓣，形成TX和RX天线的垂直阵列典型地要求以半波长间隔。因此，利用MIMO或常规数字波束形成架构的更大的天线要求额外的TX和/或RX信道(更高的成本)用于半波长间隔来避免栅瓣。

本文描述的MIMO天线配置的另一方面包括用来将TX和RX天线全部二者的尺寸翻倍的MIMO天线配置，伴随着垂直阵列的子阵列50％重叠的结果，而没有单独的模拟供给结构。TX和RX天线尺寸的增加改进了检测范围和空间分辨率。在使用的特定的配置中，子阵列的50％重叠产生半波长间隔的垂直阵列来形成全部消除栅瓣的虚拟接收天线。

图7A和7B示出了MIMO天线710和虚拟接收天线712的非限制性示例，该虚拟接收天线712示出了通过第一发射天线722和第二发射天线724合作所实现的接收天线720的等效性能。即，形成接收天线720的六个垂直阵列，当单个发射天线(未示出)被使用，第一发射天线722和第二发射天线724可以提供与虚拟接收天线712相同的增益和方位检测特征。应该可以理解的是，MIMO天线710需要两个发射器和四个接收器来操作(假设发射器和接收器没有复用或以其他方式时分)来提供与连接到虚拟接收天线712的一个发射器和八个接收器的相同的性能。

因为四个接收阵列(RX1、RX2、RX3、RX4)的每一个是单元件阵列(即，拥有单串的检测器元件)，四个接收阵列可以物理地以半个波长(λ/2)间隔开。通过水平地将第一发射天线722以两个波长(4λ/2)从第二发射天线724间隔开，虚拟接收天线有如图所示的以半波长间隔的八个单元件阵列。因此，所导致的虚拟接收天线712有效地为接收天线720宽度的二倍，由此来以两个因素改善接收天线720的有效空间分辨率。

应该注意的是，MIMO天线710可以用通过数字波束形成来确定多个目标的水平或方位角度，但MIMO天线710对于测量目标的垂直或俯仰角通常是没有用的。增加俯仰测量能力的一个途径是将TX或RX天线在垂直维度上分割来将TX或RX天线和其相应的发射和接收信道的数目翻倍(即，4-TX/4-RX配置或2-TX/8-RX配置)。

继续参考作为示例的图7A，雷达检测范围可以通过单个天线的增益来限定。增加天线的高度可以为增加天线增益的选择，但高度通常被包装尺寸约束和/或需要的俯仰覆盖所限制。通过增加额外的平行的垂直阵列来在宽度方面增加TX天线，以改善检测范围，但宽度可能受到需要的方位覆盖的限制。RX天线的宽度的类似的增加增加的增益，但也将其间隔增加到大于半波长，这导致数字波束形成中的部期望的栅瓣。另一个选择是增加TX和/或RX天线的数目，其伴随着随后成本的增加。

通过示例但非限制的方式，本文描述的各种MIMO天线的尺寸或维度的特征为76.5*10^9赫兹(76.5GHz)的雷达频率所选择。本领域技术人员应该明白的是，特征可以被缩放或以其他方式改变来适应天线710在不同雷达频率上的操作。垂直阵列也可以称作微带天线或微带辐射器，并且可以排布在基底上(未示出)。每个垂直阵列可以是380微米(μm)厚基板(诸如，来自康涅狄格州罗杰斯市的Rogers Corporation的RO5880基板)上由半盎司铜箔所形成的元件或小块的串阵列或线型阵列。适合的垂直元件的总长度是四十八毫米(48mm)。元件或小块可以有1394μm的宽度和1284μm的高度。小片间距可以是雷达信号的一个波导波长，例如2560μm，并且与每个小片互相连接的微带可以为503μm宽。优选地，元件和小片排布在基底的表面，并且诸如供给网络的其他特征被排布在基底的内层或背侧。应该明白的是，本文所示出的各种MIMO天线一般配置为以垂直于呈现的MIMO的视图的方向发送和检测雷达信号。即，每个MIMO天线的孔位置(bore-site)一般垂直于所呈现的视图，即，垂直于纸面。

图1A和1B示出多入多出(MIMO)天线的非限制性示例，下文的MIMO天线110，用于建立所示出的虚拟接收天线112的雷达系统(未示出)。MIMO天线110包括接收天线120，该接收天线配置为检测由朝向接收天线120的目标(未示出)反射的雷达信号(未示出)。MIMO天线110也包括第一发射天线122，该第一发射天线由辐射器元件136的第一垂直阵列132形成；和第二发射天线124，该第二发射天线由辐射器元件138的第二垂直阵列134形成，其区别(即，独立)于所述第一垂直阵列132。与图7所示的示例相反的，第二发射天线124以垂直偏移距离126从第一发射天线122垂直地偏移。垂直偏移距离126被选择以便到目标的俯仰角可以被确定。通过示例而非限制的方式，用于垂直偏移距离126的合适的值为半波长，例如，对于76.5GHz的1.96mm。更重要地，第一发射天线122的第一发射相位中心142从第二发射天线124的第二发射相位中心144垂直地偏移。如本文所使用的，如果用天线来发射雷达信号，天线和阵列的相位中心通常位于辐射的能量分布图案的中心。第一发射天线122和第二发射天线124被示出为相同的配置仅用来帮助本文所呈现的解释。即，可以构想的是第一发射天线122和第二发射天线124可以拥有不同的垂直长度。在此非限制性示例中，发射天线在相对应的发射天线的中点被供给信号，因此发射天线的相位中心也处于该中点。然而，本领域技术人员应该明白的是，这不是要求。即，天线的供给可以在非中点处，和/或雷达元件的间距可以不同，所以天线的相位中心可以处于中点以外的位置。

利用MIMO天线710(图7)，第二发射天线124以来建立如图所示的垂直接收天线112的所选择的水平偏移距离128从第一发射天线122水平地偏移，因此将接收天线120的有效宽度翻倍，但同时保持在半波长(λ/2)处形成虚拟接收天线112的垂直阵列的间隔。

垂直偏移距离126被选择以便第二发射天线124与水平线130相交，该水平线130与第一发射天线122相交。通过不同解释的方式，如果第二发射天线124移动到左边与第一发射天线122对齐，第二发射天线124将垂直地重叠第一发射天线。如果该垂直偏移距离126太小，俯仰测量可能表现出差的精准度。如果该垂直偏移距离126太大，俯仰测量可能不清楚。垂直重叠本身是不要求的，其仅是与垂直偏移相比较的TX天线的垂直尺寸的结果。例如，所示的TX天线大约12波长高，而相对应的垂直偏移为半波长到一个波长。在其他情况中，TX天线每一个可以为单小块，那么垂直偏移将造成任何垂直重叠。

类似于本文描述的各种MIMO天线，接收天线120(和本文所描述的接收天线的其他示例)包括一个或多个检测器元件152的垂直阵列150。第一发射天线122，第二发射天线124和接收天线120配合来建立，如箭头154所建议的，垂直接收天线112。垂直接收天线112表示有与来自其所建立的MIMO天线110相同性能(即，等效的)接收天线。即，接收仅来自单发射天线(未示出)的反射的雷达信号的垂直接收天线112有与MIMO 110相同或等效的性能特征。

通过指出第一发射天线122和接收天线120配合来建立第一组的相位中心156，虚拟接收天线112可以进一步表征。类似地，第二发射天线124和接收天线120配合来建立第二组的相位中心158。应该明白的是，这些组的相位中心是虚拟接收天线112的虚拟相位中心。作为相对于第一发射天线122的第二发射天线124的垂直偏移的结果，第二组的相位中心158是从第一组的相位中心156垂直偏移的结果。由此，俯仰测量能力通过在所示的垂直方向上相对于第一发射天线122偏离或位移被增加。垂直相位中心之间的相位移与目标相对于MIMO天线的孔位置的俯仰角相关，其关系为

其中目标俯仰角

可以由相偏移ΔΦ确定。

因为接收天线120由检测器元件152的单串的平行实例形成，垂直阵列150的间隔可以是半个波长。由此，如果第二发射天线124以所选择的水平偏移距离128从第一发射天线122水平地偏移，以便第二组的相位中心158和第一组的相位中心156之间的间隙是半个波长，伴随着最小栅瓣效果的可接收的方位性能可以被达到。对于所示的示例，发射天线之间合适的间隔是两个波长。换言之，如果虚拟接收天线的所有单个相位中心之间的水平间隔是半个波长，栅瓣可以被避免。然而，例如在图1B中，如果两个半波长的虚拟阵列被一起处理而没有补偿由于目标仰角产生的相位移ΔΦ，则‘部分的’栅瓣可以发生到由垂直偏移距离126确定的程度。要注意的是，MIMO天线110(和本文所描述的MIMO天线的其他实例)有两个发射器输入和四个接收器输入的必须由雷达系统所维护的总共六个输入，但此配置提供了拥有一个发射器输入和八个接收器输入的需要被维护的总共九个输入来提供MIMO天线110的等效性能。

图2A和2B示出了建立所示的虚拟接收天线212的MIMO天线210的另一非限制示例。在此非限制示例中，第一发射天线222由雷达元件236的第一配对垂直阵列232形成，并且第二发射天线224由雷达元件238的第二配对垂直阵列234形成。类似地，接收天线220由一个或多个对的检测器元件252的阵列250形成。相对于图1A中所示的单元件阵列，配对的垂直阵列是有优势的，因为配对的垂直阵列由更大的天线增益。然而，由于额外的宽度，接收天线220的相位中心246以一个波长(λ)间隔，而不是图1中示出的MIMO天线110的优选的半个波长(λ/2)。典型地，一个波长间距将导致不期望的栅瓣特征。

为了改善栅瓣特征，水平偏移距离228被选择以便第二组的相位中心258与垂直线260相交，该垂直线260与第一组的相位中心256相交。通过可替代描述的方式，如果垂直偏移距离226(d)是零，第二组的相位中心258将水平地重叠与第一组的相位中心256。水平偏移距离228可以被进一步选择以便第一组的相位中心256与第二组的相位中心258交错。尤其，交错可以为诸如至少第一组相位中心256中的一些与第二组的相位中心258配合，由此虚拟接收天线212有某些(优选地，多数的)以半个波长(λ/2)水平地间隔开的相位中心，以便改善MIMO天线210的栅瓣特征。对于所示的示例，发射天线之间合适的间隔是1.5个波长。在此情况中，多数相位中心在水平方向以半个波长间隔，而虚拟阵列任一侧的上一个相位中心的间隔由一个波长间隔。这将导致“部分”栅瓣，即便此效果可以通过插值技术来减轻。

一旦目标俯仰被确定，由目标俯仰引入的相偏移ΔΦ(例如在图3A和3B中示出的)可以在方位的数字波束形成之前被修正以便将栅瓣消除或最小化，这些栅瓣类似于图1和图4的配置，其中对于所有的相位中心水平间隔为半个波长。参考图2，排布所产生的虚拟接收天线212的相位中心(256、258)来形成三角图案。通过使用相位补偿途径，相位中心的垂直偏移提供测量目标俯仰角的能力。垂直对齐的相位中心的水平间隔等于一个波长，这将典型地导致随后的方位波束形成的栅瓣。此三角形间隔提供了某些程度的栅瓣压制，因为当投影到水平维度相位中心间隔等于半个波长。本质上，利用三角间隔，栅瓣位移离开主平面并且振幅以取决于TX天线(222、224)的垂直偏移距离226的数量被降低。此方面的栅瓣压制(通过位移离开主平面和降低振幅)被提供而没有对于相偏移引入的目标俯仰的任何修正。如果相偏移ΔΦ被修正，栅瓣被压制。然而，实践中，有限制压制的因素。首先，修正一般仅对于距离多普勒(range-Doppler)容器中的单目标有效。然而，所描述的用来估计来自相偏移ΔΦ的俯仰的技术一般也仅对于距离多普勒容器中的单目标有效。

图3A是每个相位中心的相对相位的图表300，所述相位中心形成虚拟天线112，其中已知距离多普勒容器中的单目标，虚拟接收天线112的每个垂直阵列的相对相位被示出。线性相位进展的坡度与目标方位相关联。垂直相位中心之间的相位移与目标相对于MIMO天线的孔位置的俯仰角相关，其关系为

其中目标俯仰角

可以由相偏移ΔΦ确定。如上文所讨论，一旦目标俯仰被确定，相位偏移ΔΦ可以在方位中的数字波束形成之间被修正以全部消除栅瓣。

图3B是每个相位中心的相对相位的图表400，所述相位中心形成虚拟天线412(图4B)，其中已知距离多普勒容器中的单目标，虚拟接收天线412的每个垂直阵列的相对相位被示出。如之前所描述的，线性相位进展的坡度与目标方位相关联。垂直相位中心之间的相位移与目标相对于MIMO天线的孔位置的俯仰角相关，其关系为

其中目标俯仰角

可以由相偏移ΔΦ确定。一旦目标俯仰被确定，相位偏移ΔΦ可以在方位中的数字波束形成之间被修正以全部消除栅瓣。从每个天线接收的信号可以通过指示振幅和相位的复数被表征。为了估计目标俯仰，相位偏移ΔΦ被计算，见图3B。计算来自复值信号的相位偏移对于本领域技术人员应该是明白的。一旦此相位偏移已知，目标俯仰通过解上面的等式所计算。然后，此相位偏移从来自一半的虚拟阵列的元件的复值信号中减去，例如从图4B的每隔一个的天线，以便相对应的图3B中的相位被平移，所有相位中心的相位沿相同线对齐。然后，数字波束形成将形成目标方位角处的峰值而没有任何栅瓣。

另一个来估计目标俯仰角的技术是针对不同目标俯仰角，在具有相位偏移修正的方位中执行数字波束形成。最小化栅瓣水平的相位偏移确定目标的俯仰角度。不同于第一技术，第二技术可以针对处于不同方位和俯仰角的相同多普勒容器中的多个目标来工作。

图4A和4B示出了建立所示的虚拟接收天线410的MIMO天线412的另一非限制示例。在此非限制示例中，第一发射天线422由单垂直阵列形成，以及第二发射天线424由单垂直阵列形成。由此，发射天线可以与图1A中所示的那些相比较。类似于图2A，接收天线420由一个或多个配对的垂直阵列形成。相对于图1A中所示的单元件阵列，配对的垂直阵列是有优势的，因为配对的垂直阵列由更大的天线增益。然而，由于额外的宽度，接收天线420的相位中心446以一个波长(λ)间隔，而不是图1中示出的MIMO天线110的优选的半个波长(λ/2)。虚拟接收天线412的第一组相位中心456和第二组相位中心458如所示的排布。

典型地，一个波长间距将导致不期望的栅瓣特征。然而，由于发射天线由半波长(λ/2)的水平的偏移距离428，相位中心图案412与全部的拥有半个波长(λ/2)的水平间隔的虚拟接收天线阵列相交错。发射天线的垂直偏移距离426涉及俯仰测量精确性和之前所讨论的不确定中的权衡。为了避免在估计目标俯仰角中的不确定，垂直偏移距离可以被选择为半个波长(λ/2)。

至此所描述的MIMO天线已经配置为通过垂直地偏移发射天线提供俯仰角检测。然而，如果没有俯仰角检测的需求，提供改善的栅瓣的特性的特征当垂直偏移距离被设为零时依然可以被利用。

图5A和5B示出了建立所示的虚拟接收天线510的MIMO天线512的另一非限制示例。MIMO天线510包括第一发射天线522，该第一发射天线522配置为朝向目标(未示出)发射第一雷达信号(未示出)。在此示例中的第一发射天线由辐射器元件的第一垂直阵列形成，所述第一垂直阵列为辐射器元件的单串或单垂直阵列。MIMO天线510也包括第二发射天线524，该第二发射天线522配置为朝向物体发射第二雷达信号(未示出)。类似地，第二发射天线由辐射器元件的第二垂直阵列形成，所述第二垂直阵列为单串并且区别于所述第一垂直阵列。

MIMO天线510也包括接收天线520，该接收天线配置为检测由朝向接收天线520的目标反射的雷达信号。在此示例中，接收天线520检测器元件的多个配对的垂直阵列形成，其类似于图2A的接收天线220。相对于图1A中所示的单元件阵列，配对的垂直阵列是有优势的，因为配对的垂直阵列由更大的天线增益。然而，由于额外的宽度，接收天线520的相位中心446以一个波长(λ)间隔，而不是图1中示出的MIMO天线110的优选的半个波长(λ/2)。虚拟接收天线512的第一组相位中心556和第二组相位中心558如所示的排布。

典型地，一个波长间距将导致不期望的栅瓣特征。然而，由于发射天线由半波长(λ/2)的水平的偏移距离528，相位中心图案512与全部的拥有半个波长(λ/2)的水平间隔的虚拟接收天线阵列相交错。

图6A和6B示出了建立所示的虚拟接收天线610的MIMO天线612的另一非限制示例。在此非限制示例中，第一发射天线622由雷达元件的第一配对的垂直阵列形成，并且第二发射天线624由雷达元件的第二配对垂直阵列形成。让发射天线由配对的垂直阵列形成是由益处的，因为由发射信号发出的雷达信号沿着天线的孔位置更加集中。然而，由于额外的宽度，水平偏移距离628相对于之前的示例而增大，所以发射天线以大于半个波长(λ/2)被间隔开。由此，当与图5B相比较，虚拟接收天线612的某些交错被丢失。

类似与前面的示例，第一发射天线622和接收天线620配合来建立第一组的相位中心658。类似地，第二发射天线624和接收天线620配合来建立区别于第一组相位中心656的第二组的相位中心658。因为第二发射天线624从第一发射天线622水平地偏移，第一组相位中心656从第二组的相位中心658水平地偏移。由于形成接收天线620的配对的垂直阵列以大于半个波长(λ/2)间隔，水平偏移距离628可以有利地被选择以便第一组的相位中心656与垂直线660相交，该垂直线660与第二组的相位中心658相交。换言之，水平偏移距离628可以被有益地选择以便第一组的相位中心656与第二组的相位中心658水平地重叠。

与拥有与来自另一组的相位中心一致的相位中心的一组相反，水平偏移距离628也可以被有益地选择以便第一组的相位中心656与第二组的相位中心658相交错。一般地，由发射天线发射出的雷达信号可以通过波长被表征。优选地，形成接收天线620的多个成对的垂直阵列的每一个以一个波长垂直地间隔开，并且水平偏移距离628被选择以便至少虚拟接收天线612的某些相位中心以半个波长水平地被间隔开。

图8示出了建立所示的虚拟接收天线810的MIMO天线812的另一非限制示例。在此非限制示例中，MIMO天线810的发射部分880的TX1是第一发射天线排布822，TX1由辐射器元件836的第一配对单垂直阵列832形成，并且第二发射天线824由辐射器元件838的第二配对单垂直阵列834形成。类似地，接收天线820由一个或多个对的检测器元件850的阵列852形成。相对于图1A中所示的单元件阵列，配对的垂直阵列是有优势的，因为配对的垂直阵列由更大的天线增益。然而，由于额外的宽度，接收天线820的相位中心846以一个波长(λ)间隔，而不是图1中示出的MIMO天线110的优选的半个波长(λ/2)。典型地，一个波长间距将导致不期望的栅瓣特征。具有多于两个垂直阵列的发射天线排布可以构想为选择性地耦合到发射器的每个布置中的一个或多个垂直阵列。

第一发射天线布置822包括第一垂直阵列870的辐射器元件和第二垂直阵列872的辐射器元件。第一发射天线布置822被配置为使得：第一垂直阵列870可选择性地耦合到发射器910(图9)，而这与第二垂直阵列872耦合到该发射器910无关。类似地，第二发射天线布置824包括辐射器元件的第三垂直阵列874和辐射器元件的第四垂直阵列876，并且第二发射天线布置824被配置为使得第三垂直阵列874可以选择性地耦合到发射器910而与第四垂直阵列876无关。如同之前的示例，第二发射天线布置824以垂直偏移距离从第一发射天线布置822垂直地偏移，所述垂直偏移距离被选择以便到目标的俯仰角可以由接收天线820确定。

为了改善栅瓣特征，水平偏移距离828被选择以便第二组的相位中心858与垂直线860相交，该垂直线860与第一组的相位中心856相交。通过可替代描述的方式，如果垂直偏移距离826(d)是零，第二组的相位中心858将水平地重叠与第一组的相位中心856。水平偏移距离828可以被进一步选择以便第一组的相位中心856与第二组的相位中心858交错。尤其，交错可以为诸如至少第一组相中心856中的一些与第二组的相中心858配合，由此虚拟接收天线812有某些(优选地，多数的)以半个波长(λ/2)水平地间隔开的相中心，以便改善MIMO天线810的栅瓣特征。对于所示的示例，发射天线之间合适的间隔是3.5个波长。在此情况中，多数相位中心在水平方向以半个波长间隔，而虚拟阵列任一侧的上一个相位中心的间隔由一个波长间隔。这将导致“部分的”栅瓣，即便此效果可以通过插值技术来减轻。

图9示出了发射器910的配置的非限制性示例。在此示例中，第一垂直阵列870、第二垂直阵列872、第三垂直阵列874和第四垂直阵列876中的每一个由多个可控制放大器912中的一个驱动，其中每个可控制放大器912接收来自控制器916的控制信号914。每个可控制放大器912优选地配置为至少通过控制信号914单独地接通或闭合。可替代地，可控制放大器912可以进一步配置为控制信号914可以单独地改变可控制发达器912的增益。已知单独地控制由任何垂直阵列发射出的雷达信号的此种能力，由发射部分880发射的雷达信号的形状和/或最大幅值可以被改变来满足雷达系统的需要。

图10示出了有MIMO天线810的发射部分880发射的信号强度图案的非限制性示例的视图950。例如，第一垂直阵列870和第二垂直872可以被布置，例如水平地分离开，以便天线810的发射部分，当仅第一垂直阵列870接收激励信号918A(或当仅第二垂直阵列872接收激励信号918B)时，发射由第一图案952表征的雷达信号920，以及当第一垂直阵列870和第二垂直阵列872分别地接收激励信号918A和918B时，发射由第二图案954表征的比第一图案952更窄的雷达信号920。由于来自第一垂直阵列870和第二垂直阵列872的雷达信号920可能以相对于发射部分880的孔位置(即，0°的角)的某角度相长地结合，第二图案954的最大幅值在某些角度大于第一图案952的最大幅值。

再次参考图9，发射器910可以包括相位移位器924，该相位移位器接收来自控制器916的相位控制信号。如果相位移位器924操作来将激励信号918A以相对于激励信号918B的九十度的相位角(90°Θ)相位移动，并且发射部分880如图所示地配置为第一垂直阵列870和第二垂直阵列中心线之间半个波长的间隔开，雷达信号920将由‘控制’或聚焦的离轴的第三图案956表征来拥有处于大约二十五度的视轴角(25°)。当使用更高增益(更窄波束)天线来改善检测范围时，控制由发射部分880射出的雷达信号920的能力是有益的。没有用来控制波束的能力，雷达FOV被约束到以固定的指向角度为中心的天线的波束的宽度。利用波束的控制，雷达FOV可以以灵活方式被扩展或调整。当试图区分多个目标时波束控制也是有益的。

在多于两个发射天线被构想，并且拥有多于两个垂直阵列的发射天线被构想的同时，在一个优选的实施例中，用于雷达系统的多入多出(MIMO)天线的发生部分包括正好两个发射天线，例如第一发射天线布置822和第二发射天线布置824。此类配置已经被发现能为汽车应用提供充足的性能和足够的灵活性。

再次参考图9，可替代实施例可以构想的是，多个可控制发达器912中的多数或全部接收来自额外的独立被控制的相位移位器的实例，即，相位移位器924的重复。发射器910然后进一步配置为独立地操作垂直阵列870、872、874、876，并且以可以被指代为数字波束形成(DBF)途径的方式来提供有每个垂直阵列发射的雷达信号的正交，至少到残留水平。发射正交信号的技术可以包括，例如，时分复用，其中每个垂直阵列在不同时间(交错或非交错的)发射雷达信号，或相位调制，其中不同正交相位码在操作每个阵列的同时被施加到该垂直阵列。相位调制以便落入正交波形的类别下。应该明白的是，有其他适合的方法来从垂直阵列以正交的方式发射雷达信号。来控制由每个阵列发射的信号的各种方法落入更通常的调制的类别下。

参考图8，控制器916可以以独立/正交的方式操作四个垂直阵列中的每一个。如果使用相位调制技术，独立控制的相位移位器将连接到四个垂直阵列中的每一个。拥有多于四个示例的垂直阵列(即，发射阵列)的系统配置是可以构想的，其中从n个发射阵列中的每一个发射的雷达信号将从物体反射走并且被m个接收天线中的每一个作为补偿信号接收。由每个接收天线接收的补偿信号然后被下转换到系带并且被采样以产生数字信号。数字数据流被输入到雷达信号处理器，这里与每个发射垂直阵列相关的信号通过使用某方法被分离或恢复，该分离或恢复方法取决于发射控制器所使用的来针对每个发射阵列调制的信号。例如，如果使用正交相位调制，雷达信号处理软件将针对m个接收的补偿信号中的每个运用n个平行分支来解调或恢复与每个发射阵列相关的信号。n个平行分支中的每个将使用匹配于针对特定发射阵列所使用的相位码的相位码解调。解调之后，由m个接收天线的每一个所接收的补偿信号已经被分离为与每个发射阵列相关的n个信号。在图8的非限制性示例中，n＝4(发射垂直阵列的数目)并且m＝4(接收天线的数目)。

数字波束形成(DBF)软件然后处理针对每个接收天线的与每个发射垂直阵列相关的信号，来从每对的发射垂直阵列之一中选择信号，或者将来自每对中的发射垂直阵列的全部两个信号用阵列移位结合来形成和控制更窄的波束。以此方式，该功能与所描述的使用连接到发射阵列的可选择的放大器和相位移位器的方法相同。然而，数字波束形成器可以同时地做这两个工作，即，从每对中选择发射垂直阵列中的一个，并且同时通过相位移位器将来自每对的阵列结合来形成和控制更窄的波束。进一步，数字波束形成器可以将每对中的发射垂直阵列同时地以不同相位移位结合多次，来将更窄的波束控制到天线FOV内的任何地方的多个角度。应该明白的是，本文所描述的DBF途径可以做在更早前的附图描述中所描述的工作，但也可做更多。

相应地，提供了多种MIMO天线。某些配置提供了通过将一对发射天线相对于彼此垂直地偏移，检测到目标的俯仰角。通过布置发射天线以便建立虚拟接收天线从而提供通常利用可以被物理地以半个波长间隔开的窄天线(即，单串阵列)发现的优选的栅瓣特征，某些配置提供了当使用相对宽的天线(即，配对的垂直阵列)来改善增益时的改善的栅瓣特征。这些特征可以被结合以便提供MIMO天线，该MIMO天线有由配对的垂直阵列所提供的增加的增益，同时有与拥有以半个波长间隔的单串阵列的那些接收天线比拟的栅瓣特征。如上文提到的，这是优于用来使用复杂、多层的供给网络来得到板波长间隔的重叠子阵列的现有技术的尝试。

尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在如此受限制，而是仅受所附权利要求书中给出的范围限制。

Claims (3)

1.一种用于雷达系统的多入多出(MIMO)天线(520)，所述天线(520)包括：

接收天线(120)，所述接收天线(120)配置为检测由目标朝向所述接收天线(120)反射的雷达信号(920)；

第一发射天线布置(822)，所述第一发射天线布置(822)包括辐射器元件(136)的第一垂直阵列(870)和辐射器元件(136)的第二垂直阵列(872)，配置所述第一发射天线布置(822)使得所述第一垂直阵列(870)可以选择性地耦合到发射器(910)而与所述第二垂直阵列(872)耦合到所述发射器(910)无关；以及

第二发射天线布置(824)，所述第二发射天线布置(824)包括辐射器元件(136)的第三垂直阵列(874)和辐射器元件(136)的第四垂直阵列(876)，配置所述第二发射天线布置(824)使得所述第三垂直阵列(874)可选择性地耦合到发射器(910)而与所述第四垂直阵列(876)无关,其中所述第二发射天线布置(824)以垂直偏移距离(126)从所述第一发射天线布置(822)垂直地偏移，所述垂直偏移距离(126)被选择以便到目标的俯仰角可以由接收天线(120)确定，

其中，所述第一垂直阵列(870)和所述第二垂直阵列(872)被布置，以便，当仅所述第一垂直阵列(870)接收激励信号(918)时，所述天线(520)发射由第一图案(952)表征的雷达信号(920)，以及当所述第一垂直阵列(870)和所述第二垂直阵列(872)二者都接收激励信号(918)时，所述天线(520)发射由第二图案(954)表征的比所述第一图案(952)更窄的雷达信号(920)。

2.如权利要求1所述的天线(520)，其特征在于，所述第一发射天线布置(822)配置为接收由激励信号(918)的波长表征的激励信号(918)，并且所述第一垂直阵列(870)的第一中心线与所述第二垂直阵列(872)的第二中心线以所述激励信号(918)的半个所述波长水平地间隔开。

3.一种用于雷达系统的多入多出(MIMO)天线(520)的发射部分(880)，所述发射部分(880)包括：

第一发射天线布置(822)，所述第一发射天线布置(822)包括辐射器元件(136)的第一垂直阵列(870)和辐射器元件(136)的第二垂直阵列(872)，配置所述第一发射天线布置(822)使得所述第一垂直阵列(870)可以选择性地耦合到发射器(910)而与所述第二垂直阵列(872)耦合到所述发射器(910)无关；以及

第二发射天线布置(824)，所述第二发射天线布置(824)包括辐射器元件(136)的第三垂直阵列(874)和辐射器元件(136)的第四垂直阵列(876)，配置所述第二发射天线布置(824)使得所述第三垂直阵列(874)可选择性地耦合到发射器(910)而与所述第四垂直阵列(876)无关，其中所述第二发射天线布置(824)以垂直偏移距离(126)从所述第一发射天线布置(822)垂直地偏移，所述垂直偏移距离(126)被选择以便到目标的俯仰角可以由接收天线(120)确定，

其中，所述第一垂直阵列(870)和所述第二垂直阵列(872)被布置，以便，当仅所述第一垂直阵列(870)接收激励信号(918)时，所述天线(520)发射由第一图案(952)表征的雷达信号(920)，以及当所述第一垂直阵列(870)和所述第二垂直阵列(872)二者都接收激励信号(918)时，所述天线(520)发射由第二图案(954)表征的比所述第一图案(952)更窄的雷达信号(920)。

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