CN107528130B

CN107528130B - 十字形天线阵列及其操作方法和天线装置

Info

Publication number: CN107528130B
Application number: CN201710445688.8A
Authority: CN
Inventors: 阿里·尔雷·托帕克
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: JP2017225121A; DE102017113255A1; CN107528130A; US10892550B2; JP7066986B2; US20170365924A1

Abstract

本发明公开了一种十字形天线阵列及其操作方法和天线装置，该十字形天线阵列包括第一辐射元件的第一线性阵列，第二辐射元件的第二线性阵列，其中所述第二线性阵列被布置为基本上垂直于所述第一线性阵列，公共辐射元件，被布置在第一线性阵列和所述第二线性阵列的交叉点处，以及馈入端口，其在所述第一线性阵列和第二线性阵列的每一端处，用于接收馈入信号。

Description

十字形天线阵列及其操作方法和天线装置

技术领域

本公开涉及十字形天线阵列、天线装置和操作这种天线阵列的方法。

背景技术

近来，2D电子波束成形系统对于消费型雷达和通信产品而言越来越普遍。相控阵是一种有趣的波束成形技术，用于在预定视野内电子地将主天线波束成形并转向特定方向。几十年来，相控阵技术一直是卫星通信和军事雷达的关键天线系统。然而，尽管其功能性能很高，但是由于移相器、可变增益放大器及其复杂的动态校准的控制电路的数量，对于诸如高速无线通信和驱动辅助系统的新兴无线用户的应用，仍然是非常昂贵和复杂的解决方案。

目前的汽车雷达制造商希望为其产品带来更多的功能，诸如在仰角和方位角上的2D电子波束成形。可替代的，多模式雷达产品正在吸引客户的更多关注，其同时用于多种用途。

本文提供的“背景”描述是为了总体上呈现本公开的上下文的目的。目前命名的发明人的工作(在本背景部分所述的范围内)以及在提交时可能无法以其他方式认定为现有技术的说明书的方面，既不明确地或也不隐含地被认定为现有技术而不利本公开。

发明内容

本发明的目的是提供一种十字形天线阵列、天线装置和操作这样的能够使2D波束成形的天线阵列的方法。

根据一个方面，提供了一种十字形天线阵列，其包括：

-第一辐射元件的第一线性阵列；

-第二辐射元件的第二线性阵列，其中，所述第二线性阵列被布置为基本上垂直于所述第一线性阵列；

-公共辐射元件，被布置在所述第一线性阵列和所述第二线性阵列的交叉点处；以及

-馈入端口，在所述第一线性阵列和所述第二线性阵列的每一端处，用于接收馈入信号。

根据另一方面，提供了一种天线装置，包括：

-如本文公开的十字形天线阵列，以及

-信号源，用于生成馈入信号并将所述馈入信号提供给所述馈入端口。

根据另一方面，提供了一种操作如本文所公开的天线阵列的方法，所述方法包括：

-生成馈入信号，

-将所述馈入信号提供给所述天线阵列的一个或多个馈入端口，从而控制将馈入信号提供给哪个所述馈入端口，并且在将馈入信号提供给所述一个或多个馈入端口之前控制馈入信号的相位。

在从属权利要求中限定了本发明的实施例。应当理解，所要求保护的方法和天线装置具有与所要求保护的天线阵列类似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中限定并如本文所公开的那样。

本公开的一个方面是提供十字形(也称为加号形)天线阵列，其使得能够叠加由两个或更多馈入信号(作为激励信号)引起的两个或更多(例如四个)倾斜天线波束，其中，两个或更多馈入信号被同时提供给不同的馈入端口。通过控制这些馈入信号，可以实现许多不同的天线波束，使得天线波束可以以电子方式在仰角和方位角上转向多个方向。所公开的2D十字形天线拓扑可用作收发器、发射机或接收机天线。

可以生成具有不同偏振(垂直/水平线性偏振，圆偏振等)的天线波束，其可以提供关于在不同情况下的多个目标的分类/识别的额外信息。

可选地，可以在每个馈入端口处设置可变移相器，但通常不需要附加的可变增益放大器。

前面的段落是通过一般性介绍的方式提供的，并不是有意限制下面的权利要求的范围。通过参考结合附图的以下详细描述，将最好地理解所描述的实施例以及进一步的优点。

附图说明

通过结合附图参考以下详细描述，可以容易地获得对本公开的更全面的了解以及许多伴随的优点，其中：

图1示出了根据本公开的十字形天线阵列的实施例的俯视图，

图2示出了根据本公开的天线装置的实施例，

图3示出了根据本公开的方法的流程图，以及

图4至图9示出了根据本公开的利用十字形天线阵列可获得的示例性天线波束图案。

具体实施方式

现在参考附图，其中在几个视图中相同的附图标记表示相同或相应的部分。图1示出了根据本公开的十字形天线阵列1的第一实施例的俯视图。它包括第一辐射元件20的第一线性阵列10和第二辐射元件21的第二线性阵列11。第二线性阵列11布置在与所述第一线性阵列10基本上相同的平面中，并且基本垂直于所述第一线性阵列10，即它们形成十字形。在十字的中心，即在所述第一线性阵列10和所述第二线性阵列11的交叉点12处，公共辐射元件22可以被认为属于线性阵列10和11两者。进一步地，馈入端口30，31，32，33设置在所述第一和第二线性阵列10、11的每个端部13、14处，用于接收馈入信号。该2D十字形天线阵列1可以用于电子地将生成的天线波在仰角和方位角上转向几个方向。

辐射元件可以被配置为贴片天线元件(例如放置在RF基片上)或缝隙(slotted)波导(例如作为中空金属波导)或SIW(基片集成波导，例如放置在RF基片上)型缝隙阵列，它们是一些天线拓扑，可以被用于这种十字形结构。由于馈入端口间的足够的间距，这种天线拓扑结构没有隔离问题。

在图1所示的实施例中，每个线性阵列10、11包括七个辐射元件20、21(包括中心辐射元件22)。然而，它们可能具有其他数量的辐射元件，并且线性阵列10也可以具有与线性阵列11不同数量的辐射元件。

图2示出了根据本公开的天线装置100的实施例。它包括如本文所公开的十字形天线阵列(例如图1所示的天线阵列1)、以及信号源101(例如一个可控振荡器)，用于产生馈入信号，并提供所述馈入信号到所述馈入端口30，31，32，33。

为了将天线波束引导到不同的方向，在一个实施例中，这些端口可以单独地被接通和断开，或者可以控制将馈入信号提供至馈入端口30，31，32，33中的哪一个(例如，仅一个，或两个，三个或全部)。为此，天线装置100可以可选地包括控制器102。

此外，可选地，可以切换馈入端口的输入相位，优选地至少在0°和180°之间。例如，目前的商用雷达前端能够在芯片级提供这些属性。为此，天线装置100可选地还包括在一个或多个馈入端口30，31，32，33处的可变移相器103。可变移相器103也可以由控制器102控制或由单独的控制器控制。通常，可变移相器103可以被配置为将馈入端口的输入相位控制在0°和360°之间的任何相位值，从而在所得的天线波束的方向的二维控制中提供更多的灵活性。

因此，在一个实施例中，可以(例如，通过控制器102)控制馈入信号被提供给哪个馈入端口和/或馈入端口30，31，32，33中的哪一个被接通，以及哪一个被关闭(例如数字地)。此外，在将馈入信号提供给所述一个或多个馈入端口30，31，32，33之前，通过使用例如控制器102可以控制馈入信号的相位。

图3示出了根据本公开的方法200的流程图。在第一步骤201中，产生馈入信号。在第二步骤202中，所述馈入信号被提供给所述天线阵列的一个或多个馈入端口，由此控制将馈入信号提供至哪个所述馈入端口中，并且在将馈入信号提供给所述一个或多个馈入端口之前控制馈入信号的相位。

如果x方向指方位角，y方向指仰角，则天线波束可被转向多个不同的方向。使用所公开的十字形阵列天线配置，天线波束可以向多个方向倾斜，特别是向上、下、右、左、右上、右下、左上和左下倾斜。如果电磁信号(即，馈入信号)由具有额外的180°相移值的不同馈入端口提供，则可以获得许多不同的波束，包括具有不同半功率波束宽度(HPBW)的双天线或四天线波束，或宽边波束。如果馈入信号被提供给多于一个馈入端口，则将各个天线波束(由提供给单个馈入端口的每个单独的馈入信号产生)的叠加作为最终天线波束而被观察。

在一个实施例中，相应的第一辐射元件10之间的第一间隔L20全部相同，并且各个第二辐射元件21之间的第二间隔L21全部相同。此外，在一个实施例中，第一间隔L20可以与第二间隔L21相同，但是通常也可以不同。辐射元件之间的这些间距决定了可转向光束的最大方向。

利用所公开的十字形天线阵列，还可以基于所使用的馈入端口提供不同的天线偏振。如果使用线性阵列10的端口30、32，则观察到垂直偏振(因为基本上是辐射元件20的(图中的)水平对齐的边缘23和24有助于由线性阵列10产生的天线波束)。如果使用线性阵列11的端口31、33，则观察到水平偏振(因为基本上是辐射元件21的(图中的)垂直对齐的边缘25和26有助于由线性阵列11产生的天线波束)。如果使用来自线性阵列10和11的所有端口30-33，则观察到圆偏振。

如果这些馈入端口30-33中的任何一个用于将信号馈入到天线，则该天线像行波天线(即频率依赖天线)那样工作。在下表中可以发现工作频率和光束方向之间的关系。电磁信号在两个线性阵列的交点处的传播是这样的：例如，如果采用水平线性阵列11，则电磁信号沿着该线性阵列11的辐射元件传播。由于辐射元件12，电磁信号不会分为三个，而是仅在方位角(x)方向上传播。

已经通过模拟证明了所公开的十字形阵列拓扑的功能。十字形线性阵列拓扑不限于一定数量的线性阵列或一定数量的每个阵列的辐射元件。例如，十字形可以由两个(或多个)垂直布置的线性阵列和两个(或更多个)水平布置的线性阵列形成。此外，线性阵列之间的角度不一定是90°，而也可以是更小或更大，例如在45°和135°之间的范围内。此外，可以以星形式布置多于两个的线性阵列。通常，可以采用许多不同的天线拓扑来用于2D波束转向。

与传统的相控天线阵列相反，所公开的天线拓扑结构提供不敏感但是稳定的工作频率(例如约1GHz)振幅(例如约10％)和相位误差(例如约±15°)。它允许在方位角和仰角方向上的2D波束成形，使用例如单、双或四天线波束。此外，它能够产生扇形或笔形天线波束。此外，天线阵列可以被构造成相当紧凑，并且允许产生水平、垂直和圆偏振的天线波束。

图4至图9示出了根据本公开的利用十字形天线阵列可获得的示例性天线波束图案。图4示出当端口1接通时在+y方向上的倾斜的天线波束。图5示出在端口1和端口2同时接通并且它们具有相等的输入相位和振幅值的情况下的倾斜到-x/+y场的天线波束。图6示出在所有端口都接通、一方面端口1和3和另一方面端口2和4之间的相位差为180°的情况下的四波束天线。图7示出在所有端口都接通、并且一方面端口1和4与另一方面端口2和3之间的相位差为180°的情况下的朝向宽边方向看去的天线波束。图8示出在信号由端口1和端口3馈入并且信号的相位差为180°的情况下的朝向宽边方向看去的波束总和。图9示出在由端口2和端口4馈入的信号具有相等的幅度和相位值而另外两个端口匹配的情况下的指向-x和+x方向的双波束天线波束。

因此，上述讨论仅公开并描述了本公开的示例性实施例。如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本公开可以以其他具体形式实施。因此，本公开的公开内容旨在是说明性的，而不是限制本公开的范围以及其他权利要求。本公开(包括本文教导的任何容易辨别的变体)部分地限定了前述权利要求的范围，使得没有创造性的主题用于公众。

在权利要求中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中所述的若干项目的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。

只要将本公开的实施例描述为至少部分地通过软件控制的数据处理装置来实现，则应当理解，携带这样的软件的非暂时机器可读介质，例如光盘，磁盘，半导体存储器等也被认为是表示本公开的实施例。此外，这样的软件也可以以诸如经由因特网或其他有线或无线远程通信系统的其他形式分发。

所公开的装置、设备和系统的元件可以由相应的硬件和/或软件元件(例如适用的电路)实现。电路是包括常规电路元件的电子组件的结构组合，和包括专用集成电路、标准集成电路、专用标准产品和现场可编程门阵列的集成电路。此外，电路包括根据软件代码编程或配置的中央处理单元、图形处理单元和微处理器。电路不包括纯软件，尽管电路包括上述硬件执行软件。

遵循所公开主题的另一实施例的列表：

1.一种十字形天线阵列，包括：

-第一辐射元件(20)的第一线性阵列(10)

-第二辐射元件(21)的第二线性阵列(11)，其中所述第二线性阵列(11)被布置为基本上垂直于所述第一线性阵列(10)，

-公共辐射元件(22)，被布置在所述第一线性阵列(10)和所述第二线性阵列(11)的交叉点(12)处，以及

-馈入端口(30，31，32，33)，在所述第一线性阵列和所述第二线性阵列的每一端处，用于接收馈入信号。

2.根据前述任一实施例所述的十字形天线阵列，

其中，相应的所述第一辐射元件(20)之间的第一间隔(L20)全部相同，并且相应的所述第二辐射元件(21)之间的第二间隔(L21)全部相同。

3.根据实施例2所定义的十字形天线阵列，

其中，所述第一间隔(L20)与所述第二间隔(L21)相同。

4.根据前述任一实施例所限定的十字形天线阵列，

其中，所述辐射元件是贴片天线元件、缝隙天线元件、缝隙波导元件或基片集成波导元件。

5.一种天线装置，包括：

-如任何前述实施例中所定义的十字形天线阵列(1)，以及

-信号源(101)，用于生成馈入信号并将所述馈入信号提供给所述馈入端口(30，31，32，33)。

6.如实施例5所定义的天线装置，

还包括控制器(102)，用于控制将所述馈入信号提供给相应的所述馈入端口(30，31，32，33)和/或用于将相应的所述馈入端口(30，31，32，33)接通和断开。

7.如实施例5所定义的天线装置，

还包括可变移相器(103)，其在所述信号源(101)和至少一个馈入端口(30，31，32，33)之间，以控制提供给相应的所述馈入端口的所述的馈入信号的所述相位。

8.如实施例5所述的天线装置，

还包括可变移相器(103)，其在所述信号源(101)和每个馈入端口(30，31，32，33)之间，以控制提供给相应的所述馈入端口的所述馈入信号的所述相位。

9.如实施例7或8所述的天线装置，

其中，所述可变移相器(103)被配置为将馈入信号的相位偏移0°或180°。

10.如实施例7或8所述的天线装置，

其中，所述可变移相器(103)被配置为将所述馈入信号的相位移动到在从0°到360°的范围内的移位值。

11.根据实施例9或10所述的天线装置，

还包括控制器(102)，用于控制所述可变移相器(103)。

12.一种操作如前述任一实施例所限定的十字形天线阵列的方法，所述方法包括：

-生成馈入信号，

-将所述馈入信号提供给所述天线阵列的一个或多个馈入端口，从而控制将所述馈入信号提供给所述馈入端口中的哪个，并且在将馈入信号提供给所述一个或多个馈入端口之前控制馈入信号的相位。

13.根据实施例12所述的方法，

还包括断开不应被提供馈入信号的馈入端口。

14.根据实施例12或13所述的方法，

还包括将馈入信号的相位偏移0°或180°。

15.根据实施例12或13所述的方法，

还包括将馈入信号的相位偏移到在从0°到360°的范围内的移位值。

Claims

1.一种十字形天线阵列，包括：

-第一辐射元件(20)的第一线性阵列(10)；

-第二辐射元件(21)的第二线性阵列(11)，其中，所述第二线性阵列(11)被布置为垂直于所述第一线性阵列(10)；

-公共辐射元件(22)，被布置在所述第一线性阵列(10)和所述第二线性阵列(11)的交叉点(12)处；以及

-馈入端口(30，31，32，33)，在所述第一线性阵列和所述第二线性阵列的每一端处，用于接收来自信号源的馈入信号，使得交叉形的天线阵列包括四个所述馈入端口；

可变移相器(103)，所述可变移相器(103)在信号源(101)和至少一个所述馈入端口(30，31，32，33)之间，以控制提供给相应的所述馈入端口的所述馈入信号的相位，其中，在第一线性阵列中，所述第一辐射元件和所述公共辐射元件串联连接在所述第一线性阵列的馈电端口之间，使得所述第一辐射元件、所述公共辐射元件，所述第一线性阵列的馈电端口和所述可变移相器串联连接；以及

在第二线性阵列中，所述第二辐射元件和所述公共辐射元件串联在所述第二线性阵列的馈送端口之间；

所述十字形天线阵列被配置为允许所述十字形天线阵列中所有的辐射元件使用仅四个所述馈入端口连接到所述信号源。

2.如权利要求1所述的十字形天线阵列，

3.如权利要求2所述的十字形天线阵列，

其中，所述第一间隔(L20)与所述第二间隔(L21)相同。

4.如权利要求1所述的十字形天线阵列，

其中，所述第一辐射元件(20)和/或所述第二辐射元件(21)为贴片天线元件、缝隙天线元件、缝隙波导元件或基片集成波导元件。

5.如权利要求1所述的十字形天线阵列，

其中，所述可变移相器(103)被配置为将所述馈入信号的所述相位偏移0°或180°。

6.如权利要求1所述的十字形天线阵列，

其中，所述可变移相器(103)被配置为将所述馈入信号的所述相位偏移至在从0°到360°的范围内的移位值。

7.如权利要求5所述的十字形天线阵列，

还包括控制器(102)，用于控制所述可变移相器(103)。

8.一种天线装置，包括：

-如权利要求1所述的十字形天线阵列(1)；以及

-信号源(101)，用于生成馈入信号并用于将所述馈入信号提供给所述馈入端口(30，31，32，33)。

9.如权利要求8所述的天线装置，

还包括控制器(102)，用于控制将所述馈入信号提供给相应的所述馈入端口(30，31，32，33)和/或用于接通和断开相应的所述馈入端口(30，31，32，33)。

10.一种操作如权利要求1所述的十字形天线阵列的方法，所述方法包括：

-生成馈入信号；

-将所述馈入信号提供给所述天线阵列的一个或多个馈入端口，从而控制将所述馈入信号提供给所述一个或多个馈入端口中的哪个，并且在将所述馈入信号提供给所述一个或多个馈入端口之前控制所述馈入信号的相位。

11.如权利要求10所述的方法，

还包括断开不应被提供馈入信号的馈入端口。

12.如权利要求10所述的方法，

还包括将所述馈入信号的所述相位偏移0°或180°。

13.如权利要求10所述的方法，

还包括将所述馈入信号的所述相位偏移到在从0°到360°的范围内的移位值。