CN106814348B - 雷达天线系统 - Google Patents

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Abstract

一种雷达天线系统。该雷达天线系统包括：多个传送子阵列；多个接收子阵列；以及一收发控制单元，该收发控制单元耦接于该多个传送子阵列与该多个接收子阵列，用来控制该多个传送子阵列与该多个接收子阵列，使得该雷达天线系统切换操作于一比幅单脉冲模式以及一比相单脉冲模式。本发明的雷达天线系统可根据目标物的角度，切换操作于比幅单脉冲模式与比相单脉冲模式，以达到宽广扫描角度范围以及精准角度分辨率。

Description

雷达天线系统
技术领域
本发明涉及一种雷达天线系统，尤指一种可切换操作于比幅单脉冲模式与比相单脉冲模式的雷达天线系统。
背景技术
雷达(Radar，Radio Detection and Ranging)已广泛使用于军事设备及地形探测中，亦普遍被用来检测物体的位置。雷达的原理在于将电磁能量发射至空间之中，藉由接收空间内存在物体所反射的电波，可以计算出该物体的方向，距离及速度，并且可以探测物体的形状。随着雷达技术的不断发展，而单脉冲(Mono-Pulse)技术已被广泛地应用在雷达相关领域。相比传统雷达，单脉冲雷达仅需要一个脉冲信号，就可获得目标物的方向、距离等信息，单脉冲雷达已成为现代雷达系统的主流之一。
详细来说，单脉冲雷达是通过分析天线接收到的回波信号来检测出目标物位置的信息，单脉冲雷达操作于一比幅单脉冲模式(Amplitude-Comparison Mono-Pulse)以及一比相单脉冲模式(Phase-Comparison Mono-Pulse)，据此单脉冲雷达可将接收到的回波信号进行振幅比较或相位比较，以检测目标物的位置信息。然而，比幅单脉冲模式具有较佳的角度分辨率，而其扫描角度范围较窄；相反地，比相单脉冲模式具有较宽的扫描角度范围，而其角度分辨率较差。因此，公知技术实有改善的必要。
因此，需要提供一种雷达天线系统来解决上述问题。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种雷达天线系统，其可切换操作于比幅单脉冲模式与比相单脉冲模式，以改善公知技术的缺点。
本发明公开一种雷达天线系统，该雷达天线系统包括：多个传送子阵列；多个接收子阵列；以及一收发控制单元，该收发控制单元耦接于该多个传送子阵列与该多个接收子阵列，用来控制该多个传送子阵列与该多个接收子阵列，使得该雷达天线系统切换操作于一比幅单脉冲模式以及一比相单脉冲模式。
本发明的雷达天线系统可根据目标物的角度，切换操作于比幅单脉冲模式与比相单脉冲模式，以达到宽广扫描角度范围以及精准角度分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例一雷达天线系统的示意图。
图2为本发明实施例一雷达天线系统的示意图。
图3为图2的雷达天线系统的天线场型图的示意图。
图4为图2的雷达天线系统操作于比幅单脉冲模式的差和比示意图。
图5为图2的雷达天线系统操作于比幅单脉冲模式的信噪比场型示意图。
图6为图2的雷达天线系统操作于比相单脉冲模式的信噪比场型示意图。
图7为图2的雷达天线系统操作于比相单脉冲模式的相位差与角度变化关系示意图。
主要组件符号说明：
10、20 雷达天线系统
100 收发控制单元
Tx_1～Tx_N 传送子阵列
Rx_1～Rx_M 接收子阵列
S1 第一侧
S2 第二侧
DT、DR 间距
PCT_1～PCT_N、PCR_1～PCR_M 子阵列中心
PCLT、PCLR 相位中线
PAT1～PATK、PAR1～PARL 辐射体
CLT_1～CLT_N、CLR_1～CLR_M 子阵列中线
X、Y、X1、Y1 坐标轴
BM1～BM12 波束
具体实施方式
请参考图1，图1为本发明实施例一雷达天线系统10的示意图，为了方便说明，图1标示有X、Y轴的坐标系统。雷达天线系统10可操作于77GHz，也可以操作于一频段中，例如：76GHz～78GHz。雷达天线系统10为一N发M收的天线系统，雷达天线系统10包含有一收发控制单元100、传送子阵列Tx_1～Tx_N以及接收子阵列Rx_1～Rx_M。传送子阵列Tx_1～Tx_N耦接于收发控制单元100并设置于收发控制单元100的一第一侧S1，接收子阵列Rx_1～Rx_M耦接于收发控制单元100并设置于收发控制单元100的一第二侧S2，第一侧S1相对于第二侧S2。接收子阵列Rx_1～Rx_M中任一接收子阵列Rx_r与其相邻的接收子阵列Rx_r+1(或接收子阵列Rx_r－1)之间相隔一接收间距DR，接收间距DR大致为雷达天线系统10所传输的无线信号波长的二分之一。同样地，传送子阵列Tx_1～Tx_N中任一传送子阵列Tx_t与其相邻的传送子阵列Tx_t+1(或传送子阵列Tx_t－1)之间相隔一传送间距DT，传送间距DT为接收间距DR的M倍，其中整数M为接收子阵列Rx_1～Rx_M的一个数。收发控制单元100控制传送子阵列Tx_1～Tx_N及接收子阵列Rx_1～Rx_M，使得雷达天线系统10切换操作于一比幅单脉冲模式(Amplitude-Comparison Mono-Pulse)与一比相单脉冲模式(Phase-Comparison Mono-Pulse)。当雷达天线系统10操作于比幅单脉冲模式时，雷达天线系统10可形成一虚拟阵列天线(Virtual Array Antenna)，并形成N*M个不同角度的波束，以进行不同方向的角度辨识，而当目标物相对于雷达天线系统10的角度大于一特定值时，雷达天线系统10可自比幅单脉冲模式切换操作于比相单脉冲模式。换句话说，雷达天线系统10可视情况操作于比幅单脉冲模式或是比相单脉冲模式，其可同时达到宽广扫描角度范围以及精准角度分辨率。
另外，接收间距DR相关于雷达天线系统10的一扫描角度范围，详细来说，扫描角度范围随接收间距DR递减而递增，即当接收间距DR愈大，扫描角度愈小；当接收间距DR愈小，扫描角度愈大。具体来说，请参考图7，图7为雷达天线系统10操作于比相单脉冲模式的相位差与角度变化关系示意图，实线代表当接收间距DR为一间距d1时的相位差与角度变化关系，虚线代表当接收间距DR为一间距d2时的相位差与角度变化关系，其中，间距d1小于间距d2。由图7可知，当接收间距DR为较小的间距d1时，扫描角度范围可达正负80度，当接收间距DR为较大的间距d2时，扫描角度范围小于正负60度，即雷达天线系统10的扫描角度范围随接收间距DR递减而递增。
当雷达天线系统10操作于比幅单脉冲模式时，收发控制单元100利用传送子阵列Tx_1～Tx_N中至少二传送子阵列进行无线单脉冲信号的传送，并利用接收子阵列Rx_1～Rx_M中至少二接收子阵列进行无线信号的接收。较佳地，当雷达天线系统10操作于比幅单脉冲模式时，雷达天线系统10可形成虚拟阵列天线，收发控制单元100利用全部的传送子阵列Tx_1～Tx_N进行无线单脉冲信号的传送，并利用全部的接收子阵列Rx_1～Rx_M进行无线信号的接收，以达到精准的角度分辨率。而当雷达天线系统10操作于比相单脉冲模式时，收发控制单元100利用传送子阵列Tx_1～Tx_N中至少一传送子阵列进行无线单脉冲信号的传送，并利用接收子阵列Rx_1～Rx_M中至少二接收子阵列进行无线信号的接收。较佳地，当雷达天线系统10操作于比相单脉冲模式时，收发控制单元100利用相邻的接收子阵列Rx_r与其相邻的接收子阵列Rx_r+1(或接收子阵列Rx_r－1)进行无线信号的接收，以增加扫描角度范围。
另一方面，传送子阵列Tx_1～Tx_N分别具有传送子阵列中心PCT_1～PCT_N，传送子阵列中心PCT_1～PCT_N相互对齐，在一实施例中，传送子阵列中心PCT_1～PCT_N相互对齐于一传送相位中线PCLT。同样地，接收子阵列Rx_1～Rx_M分别具有接收子阵列中心PCR_1～PCR_M，接收子阵列Rx_1～Rx_M相互对齐，在一实施例中，接收子阵列中心PCR_1～PCR_M相互对齐于一接收相位中线PCLR。
详细来说，传送子阵列Tx_1～Tx_N中每一传送子阵列Tx_t皆包含有传送辐射体PAT1～PATK，传送子阵列Tx_t通过平行于X轴的一传送子阵列中线CLT_t将传送辐射体PAT1～PATK串接成一序列，传送间距DT即为传送子阵列Tx_t的传送子阵列中线CLT_t与相邻的传送子阵列Tx_t+1的一传送子阵列中线CLT_t+1(或传送子阵列Tx_t－1的一传送子阵列中线CLT_t－1)之间的间距。同样地，接收子阵列Rx_1～Rx_M中每一接收子阵列Rx_r皆包含有接收辐射体PAR1～PARL，接收子阵列Rx_r通过平行于X轴的一接收子阵列中线CLR_r将接收辐射体PAR1～PARL串接成一序列。接收间距DR即为接收子阵列Rx_r的接收子阵列中线CLR_r与相邻的接收子阵列Rx_r+1的一接收子阵列中线CLR_r+1(或接收子阵列Rx_r－1的一接收子阵列中线CLR_r－1)之间的间距。
更进一步地，为了抑制旁波瓣(Sidelobe)的影响，传送辐射体PAT1～PATK与接收辐射体PAR1～PARL在平行于Y轴方向上可具有不完全相同的长度。在一实施例中，传送辐射体PAT1～PATK在平行于Y轴方向的长度分别随传送辐射体PAT1～PATK与其所在的传送子阵列的传送子阵列中心的距离递增而递减，以传送子阵列Tx_1为例，传送辐射体PAT1与传送子阵列中心PCT_1之间的距离最短，传送辐射体PAT1在平行于Y轴方向的长度最长，而传送辐射体PATK与传送子阵列中心PCT_1之间的距离最长，传送辐射体PATK在平行于Y轴方向的长度最短；同样地，接收辐射体PAR1～PARL在平行于Y轴方向的长度分别随接收辐射体PAR1～PARL与其所在的接收子阵列的接收子阵列中心的距离递增而递减，以接收子阵列Rx_1为例，接收辐射体PAR1与接收子阵列中心PCR_1之间的距离最短，传送辐射体PAT1在平行于Y轴方向的长度最长，而接收辐射体PARL与接收子阵列中心PCR_1之间的距离最长，传送辐射体PATK在平行于Y轴方向的长度最短。
另一方面，收发控制单元100可根据一目标物TG相对于雷达天线系统10的一角度AG，来决定雷达天线系统10操作于比幅单脉冲模式或比相单脉冲模式。例如，当角度AG大于一特定值TH时，收发控制单元100控制传送子阵列Tx_1～Tx_N及接收子阵列Rx_1～Rx_M，使得雷达天线系统10操作于具有宽广扫描角度范围的比相单脉冲模式；相反地，当角度AG小于特定值TH时，收发控制单元100控制传送子阵列Tx_1～Tx_N及接收子阵列Rx_1～Rx_M，使得雷达天线系统10操作于具有精准角度分辨率的比幅单脉冲模式。其中，雷达天线系统10不限于利用特定方式来取得角度AG，在一实施例中，当雷达天线系统10操作于比幅单脉冲模式时，雷达天线系统10可通过推迟发送时间(Time Division)的方式，将N发M收的天线系统形成为一发N*M收的虚拟阵列天线(Virtual Array Antenna)，而形成具有不同指向方向的波束(Beam)BM1～BMN*M，其中，波束BM1、BMN*M为角度偏移最大的波束。当对应于目标物TG的回波信号在波束BM1或波束BMN*M中具有最大能量时，代表目标物TG的角度AG可能已超过比幅单脉冲模式所能提供的扫描角度范围，即角度AG大于特定值TH，此时雷达天线系统10应操作于比相单脉冲模式。相反地，当对应于目标物TG的回波信号在波束BM2～BMN*M－1其中的一波束中具有最大能量时，代表目标物TG的角度AG仍位于比幅单脉冲模式所能提供的扫描角度范围内，即角度AG小于特定值TH，此时雷达天线系统10应操作于比幅单脉冲模式。
具体来说，请参考图2至图6，图2为本发明实施例一雷达天线系统20的示意图，图3为雷达天线系统20所形成的天线场型图的示意图，图4为雷达天线系统20操作于比幅单脉冲模式的一差和比(Delta-Sum Ratio，Δ/Σ)的示意图，图5为当雷达天线系统20操作于比幅单脉冲模式且信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)为20dB的天线场型示意图，图6为当雷达天线系统20操作于比相单脉冲模式且信噪比为20dB的天线场型示意图，其中，图5及图6的天线场型绘示于由坐标轴X1、Y1所构成的一平面。雷达天线系统20与雷达天线系统10结构类似，故相同组件沿用相同符号，与雷达天线系统10不同之处在于，雷达天线系统20为一三发四收的天线系统，故雷达天线系统20可等效成为一发十二收的虚拟阵列，也就是说，雷达天线系统20可在不同指向方向上形成波束BM1～BM12，如图3所示，其中，波束BM1、BM12为角度偏移最大的波束，波束BM1、BM12因受到旁波瓣与光栅波瓣(Grating Lobe)的因素而无法准确计算出目标物TG的角度AG，使得雷达天线系统20操作于比幅单脉冲模式时的扫描角度范围仅在正负55度之内，而雷达天线系统20操作于比相单脉冲模式时的扫描角度范围可达到正负80度。当雷达天线系统20检测对应于目标物TG的回波信号在波束BM1或波束BM12中具有最大能量时，此时收发控制单元100控制雷达天线系统20操作于比相单脉冲模式；而当雷达天线系统20检测对应于目标物TG的回波信号在波束BM2～BM11其中的一波束中具有最大能量时，此时收发控制单元100控制雷达天线系统20操作于比幅单脉冲模式。如此一来，雷达天线系统20可同时达到宽广扫描角度范围以及精准角度分辨率。
由上述可知，本发明的雷达天线系统可根据目标物TG的角度AG，切换操作于比幅单脉冲模式与比相单脉冲模式，以达到宽广扫描角度范围以及精准角度分辨率。需注意的是，前述实施例用以说明本发明的概念，本领域普通技术人员应当可据以做不同的修饰，而不限于此。举例来说，雷达天线系统传送子阵列的个数与接收子阵列的个数并未有所限，只要传送子阵列的个数与接收子阵列的个数皆大于一，即满足本发明的需求。另外，传送子阵列及接收子阵列所串接的传送辐射体及接收辐射体的个数并未有所限，可视系统需求调整辐射体的个数，只要传送子阵列中心之间相互对齐且接收子阵列中心之间相互对齐，即满足本发明的需求。
综上所述，本发明的雷达天线系统可切换操作于比幅单脉冲模式与比相单脉冲模式，相比公知技术，本发明的雷达天线系统可同时达到宽广扫描角度范围以及精准角度分辨率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是根据本发明权利要求书所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种雷达天线系统，该雷达天线系统包括：
多个传送子阵列；
多个接收子阵列；以及
一收发控制单元，该收发控制单元耦接于该多个传送子阵列与该多个接收子阵列，用来控制该多个传送子阵列与该多个接收子阵列，使得该雷达天线系统切换操作于一比幅单脉冲模式以及一比相单脉冲模式；
其中每一传送子阵列具有一传送子阵列中心，该多个传送子阵列的该传送子阵列中心相互对齐；每一接收子阵列具有一接收子阵列中心，该多个接收子阵列的该接收子阵列中心相互对齐。
2.如权利要求1所述的雷达天线系统，其中该多个传送子阵列中一传送子阵列与另一传送子阵列相隔一传送间距，该多个接收子阵列中一接收子阵列与另一接收子阵列相隔一接收间距，该传送间距为该接收间距的一特定整数倍，且该特定整数为该多个接收子阵列的一个数。
3.如权利要求2所述的雷达天线系统，其中该接收间距大致为该雷达天线系统所传输的无线信号波长的二分之一。
4.如权利要求2所述的雷达天线系统，其中雷达天线系统的一扫描角度范围随该接收间距递减而递增。
5.如权利要求1所述的雷达天线系统，其中当该雷达天线系统操作于该比相单脉冲模式时，该雷达天线系统利用该多个传送子阵列中至少一传送子阵列进行无线信号的传送，并利用该多个接收子阵列中至少二接收子阵列进行无线信号的接收。
6.如权利要求1所述的雷达天线系统，其中当该雷达天线系统操作于该比幅单脉冲模式时，该雷达天线系统利用该多个传送子阵列中至少二传送子阵列进行无线信号的传送，并利用该多个接收子阵列中至少二接收子阵列进行无线信号的接收。
7.如权利要求1所述的雷达天线系统，其中该收发控制单元根据一目标物相对于该雷达天线系统的一角度，决定该雷达天线系统操作于该比幅单脉冲模式或该比相单脉冲模式。
8.如权利要求7所述的雷达天线系统，其中当该角度大于一特定值时，该雷达天线系统操作于该比相单脉冲模式；当该角度小于该特定值时，该雷达天线系统操作于该比幅单脉冲模式。
9.如权利要求8所述的雷达天线系统，其中该雷达天线系统操作于该比幅单脉冲模式时，该雷达天线系统形成指向不同角度的多个波束，该收发控制单元根据对应于该目标物的一回波信号在该多个波束的能量，决定该角度是否大于该特定值并决定是否自该比幅单脉冲模式切换至该比相单脉冲模式。
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