CN109066086A - 一种天线阵列、天线收发系统及雷达系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种天线阵列，包括：N个天线单元；N个天线单元波前方向相同且两两之间的横向间距相等；N个天线单元的馈电相位形成第一等差数列，第一等差数列的公差为预设相位差；N个天线单元到波前方向上的垂直面的距离形成第二等差数列，第二等差数列的公差为预设距离差；预设距离差形成的N个天线单元之间相对于垂直面的空间相位差与预设相位差抵消；N为大于或等于2的整数。当该天线阵列应用于雷达系统的发射和接收通道时，可以对消泄露信号，从而大大减少了自干扰，对雷达系统的接收通道起到保护作用，提高了雷达系统的灵敏度。本申请实施例还提供了一种天线收发系统及雷达系统。

Description

一种天线阵列、天线收发系统及雷达系统

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，尤其涉及一种天线阵列、天线收发系统及雷达系统。

背景技术

随着科技的不断发展，市面上电子产品的种类越来越多，除了传统的个人计算机、移动终端外，还出现了虚拟现实设备等新兴电子产品。对于用户来说，其往往拥有多个电子设备，并且很多时候需要同时使用多个电子设备，此时，传统的人机交互方法需要用户分别使用安装在不同电子设备上的人机交互装置，这极大的影响了用户的使用体验，降低了工作效率。因此，用户迫切需要一种革命性的人机交互设备，使用户不需要接触操作，即可实现字符输入以及各种控制功能。于是，多种基于不同技术的新型人机交互装置出现，其中就包括基于雷达技术的人机交互装置，即手势雷达。

由于需要探测较近距离的目标，并且需要使用较小的发射功率来满足无执照射频设备的电磁兼容要求，因此，手势雷达均采用调频连续波(FMCW)体制。然而，在手势雷达系统中，发射通道辐射出的信号可能直接泄露到接收通道，若泄露信号较大，则会形成自干扰，使得接收信号噪声增大，淹没微弱的目标反射信号，更严重者，泄露信号可能直接使接收通道饱和，导致雷达无法工作。

发明内容

本申请实施例提供了一种天线阵列、天线收发系统及雷达系统，解决了发射通道的信号直接泄露到接收通道形成自干扰的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种天线阵列，该天线阵列包括：N个天线单元；

N个所述天线单元波前方向相同且两两之间的横向间距相等；

N个所述天线单元的馈电相位形成第一等差数列，所述第一等差数列的公差为预设相位差；

N个所述天线单元到波前方向上的垂直面的距离形成第二等差数列，所述第二等差数列的公差为预设距离差；

所述预设距离差形成的N个所述天线单元之间相对于所述垂直面的空间相位差与所述预设相位差抵消；

所述N为大于或等于2的整数。

优选地，所述预设相位差与所述N的乘积等于π的整数倍。

优选地，所述N个所述天线单元的馈电相位形成第一等差数列，所述第一等差数列的公差为预设相位差具体包括：

N个所述天线单元的传输线长度成第三等差数列，所述第三等差数列的公差为预设长度差，所述预设长度差对应的N个所述天线单元之间的馈电的相位差为预设相位差。

优选地，所述N个所述天线单元的馈电相位形成第一等差数列，所述第一等差数列的公差为预设相位差具体包括：

N个所述天线单元的传输线上覆盖氧化铝或氮化铝或罗杰斯6010系列板材，以使得N个所述天线单元的馈电相位形成第一等差数列，所述第一等差数列的公差为预设相位差。

优选地，所述预设相位差与所述N的乘积为π。

优选地，所述N等于4或8。

本申请第二方面提供一种天线收发系统，该天线收发系统包括：

至少一个发射通道与至少一个接收通道，每个所述发射通道连接一个天线阵列，每个所述接收通道连接一个所述天线阵列，所述天线阵列为上述第一方面提供的任一种天线阵列，所述天线阵列之间两两平行。

优选地，所述天线阵列之间两两在竖直方向上重叠。

优选地，具有一个所述发射通道与三个所述接收通道。

本申请第三方面提供一种雷达系统，该雷达系统包括：如上述第二方面提供的任一种天线收发系统、信号调理模块、信号生成模块以及数据处理模块；

所述信号生成模块将发射信号提供给所述天线收发系统进行发射，所述天线收发系统将接收到的接收信号发送给所述信号调理模块，所述信号调理模块对所述接收信号进行调理后发送给所述数据处理模块进行处理。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种天线阵列，该天线阵列设置有多个天线单元，多个天线单元均朝预设的波前方向设置，并且所有天线单元两两之间的横向间距相等，为了方便理解，可以认为N个天线单元排成了1至N行；1至N行上的天线单元之间的馈电相位是不同的，各个天线单元的馈电相位的集合可以形成一个等差数列，即从第2行上的天线单元起，每一行均比该行的前一行在馈电相位上超前或者落后预设相位差；馈电间的预设相位差使得对于远场的辐射方向图发生了变化，为了使辐射方向图不变，在空间上使天线单元形成错位，即从第2行上的天线单元起，每一行均在该行的前一行的基础上沿波前方向突进或者逆波前方向缩进预设距离差，此时，各个天线单元到波前方向上的垂直面的距离的集合形成了等差数列，空间上突进或缩进预设距离差形成的天线单元之间相对波前方向上的垂直面的空间相位差与天线单元之间的馈电相位差相互抵消，从而使得辐射方向图保持不变。

可以在雷达系统中使发射通道和接收通道均分别连接一个上述的天线阵列，且使天线阵列之间两两平行，此时，发射天线阵列中的各天线单元辐射的信号之间存在预设相位差，存在预设相位差的各个信号泄露到接收天线阵列后，两个对应位置上的天线单元间的耦合信号可以在接收天线阵列的功分器输出端得到对消，即泄露信号得到了对消，从而大大减少了自干扰，对雷达系统的接收通道起到保护作用，提高了雷达系统的灵敏度；同时，对于每个天线阵列内部，回波信号也由于馈电上的预设相位差，基于类似的原理得到对消，从而提高了回波损耗。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种天线阵列的布局示意图；

图2为平行设置的天线阵列1与天线阵列2的布局示意图；

图3为N＝4和N＝8时耦合因子随Δl/λ变化的曲线图；

图4为本申请实施例提供的一种天线系统的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种雷达系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请设计了一种天线阵列、天线系统及雷达系统，解决了发射通道的信号直接泄露到接收通道形成自干扰的技术问题。

为了便于理解，请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种天线阵列的布局示意图。

天线阵列通常包括多个天线单元，可以使用大于或等于2的整数N来表示天线单元的数量，N个天线单元应当朝向同一方向设置，该方向即为天线阵列的波前方向；两两天线单元之间应当平行，并且两两天线单元之间的横向间距应当相等，为了便于理解，可以认为N个天线单元排成了N排，或者说放置在了相互平行的N行上，当然，也可以是放置在了相互平行的N列上。

可以使每个天线单元的馈电相位不同，具体的，可以使天线单元之间的馈电相位构成第一等差数列，该第一等差数列的公差为预设相位差应当理解的是，该预设相位差可以为正，也可以为负，比如，对于第1至N行上的天线单元，从第2行起，每一行都比前一行的天线单元在馈电相位上落后90度，则此时的预设相位差为-90度。

其中，预设相位差可以根据实际需要进行设定，当然，在上述天线阵列应用到雷达系统中时，为了能够最大限度的对消泄露信号，应当使预设相位差满足其与所述N的乘积等于π的整数倍的条件，即满足的条件(a为整数)。

下面结合应用了本申请实施例提供的天线阵列的雷达系统，对泄露信号的对消原理进行说明，请参阅图2，图2为平行设置的天线阵列1与天线阵列2的布局示意图。

对于泄露信号而言，其实质是两个天线阵列间各天线单元间的互耦的耦合信号，因此，耦合信号是使得两个天线阵列之间隔离度恶化的主要原因。以天线阵列1作为发射天线阵列，天线阵列2作为接收天线阵列，阵列1与阵列2平行设置，则阵列2中的第n个天线单元将接收到来自于阵列1中各个单元的耦合信号，该信号的电压值可以表示为：

其中，S_n,m是阵列1中第m个天线单元到阵列2中第n个天线单元的耦合系数。每个天线阵列由N个天线单元组成。A是发射信号的幅度。是天线阵列中两个相邻天线单元的馈电相位之间的预设相位差。

整个阵列2所有天线单元所接收到的耦合信号的总和可以表示为：

一般认为，在两个平行设置的天线阵列之间，位置对应的两个天线单元之间的耦合信号最强，即泄露信号引起的自干扰最严重，当然，若是两个堆叠放置的天线阵列，则最强耦合发生在上下两个正对的单元之间。为使分析简化，可以假设当m≠n时，S_n,m均为0，即不考虑位置不对应的天线单元之间的耦合信号，只考虑位置对应的天线单元间的耦合信号，即m＝n的耦合信号，此时，公式(2)可以简化为：

为分析其中的规律，可以提取公式(3)中的一部分，并定义为阵列间耦合因子：

从中可以看出，耦合因子的幅度将基本遵从SINC函数，也就是说，两个平行设置的天线阵列间的隔离度的大小关系类似一个SINC函数。当天线阵列的预设相位差满足时，SINC函数出现第一个零点。而SINC函数的零点意味着两个天线阵列间耦合最弱，隔离度最大。

当进行天线阵列设计时，可以使其尽量工作在零点或零点附近，从而拥有最佳的隔离度。当选取SINC第一个零点时，即时，对应的预设相位差最小，在空间上的缩进或突进预设距离值相应的也最小，此时天线单元之间更为紧凑，而选取位于SINC函数曲线中间部位的零点时，在较大的相位差范围内，隔离度都能得到保证。

为使分析更加直观，可以选取N＝4和N＝8，对公式(4)中的耦合因子进行绘图，请参阅图3，图3为N＝4和N＝8时耦合因子随Δl/λ变化的曲线图，其中Δl为空间上错开的预设距离值，λ为波长。

需要说明的是，图3对应N＝4和N＝8的天线阵列，但N＝4和N＝8的天线阵列只是一个示例，从图3中可以很容易推导出N＝5、N＝9等其余的天线阵列的耦合因子变化情况，在此不再赘述。

实际选择中，可以考虑用户的需求，若用户需要较大的作用角度范围，可以采用较少的天线单元，比如使N＝4的天线阵列；若用户可以接受较小的角度范围，而需要较大的探测距离，则可以采用较多的天线单元，比如N＝8的天线阵列，此时天线阵列之间的隔离度和每个天线阵列的回波损耗都得到更好的改善。

如图3所示，N＝8的天线阵列相对于N＝4的天线阵列可以在较大的Δl/λ范围内保持较好的隔离度，Δl/λ对应的是预设相位差，也就是说，N＝8的天线阵列可以在较大的预设相位差范围内拥有较好的隔离度。

由上述推导可知，预设相位差可以根据实际需求进行合理的设置，在对雷达系统的作用角度要求不大的情况下，可以通过合理的设置使耦合因子落入SINC函数曲线中间部位的零点，此时，在N确定的情况下，预设相位差在一个较大的范围内均可以使天线阵列间具备较好的隔离度，当然，使预设相位差与天数单元数量N的乘积等于π的整数倍，即使预设相位差满足的条件(a为整数)，可以使得两个天线阵列之间的泄露信号最大程度的得到对消，此时的隔离度是最优的。

而对于回波而言，其与泄露信号本质是相同的，回波存在于一个天线阵列内部，其经过传输线后反射折回，再次经过传输线到达同一天线阵列的功分器输出端，而泄露信号是两个天线阵列之间，其经过发射天线阵列的传输线后泄露到接收天线阵列，再经过接收天线阵列的传输线到达接收天线阵列的功分器输出端，可见，回波与泄露信号的均两次经过传输线，两次引起预设相位差，基于相同的原理，回波信号也能在天线阵列的功分器输出端得到对消，从而改善了回波损耗。

实现一个天线阵列中不同天线单元间馈电相位不同的方式有多种，比如，可以通过在天线单元的传输线上覆盖高介电常数的材料，具体的，可以在天线单元的微带线上覆盖氧化铝或氮化铝或罗杰斯6010系列板材，覆盖了高介电常数材料的传输线可以缩短在其内传输的信号的波长，从而引起天线单元的馈电相位的变化，通过合理的设置，可以使N个天线单元之间的馈电相位形成等差数列且相位差为预设相位差。

当然，还可以有其他的实施方式，比如在本申请实施例中，可以通过对不同的天线单元设置不同的传输线长度，从而使得不同天线单元之间的馈电存在相位差。如图1所示，其中的长方形条表示传输线，不同黑色深度表示传输线间不同的长度。可以将天线单元之间的传输线长度设置成等差数列，从而，天线单元之间的馈电相位也会形成等差数列。

为了方便理解，下面举一个例子进行说明，若天线阵列中有三个天线单元A1、A2和A3，可以设置A2的传输线比A1的传输线短，设置A3的传输线比A2的传输线短，且A1、A2和A3之间的传输线相差预设长度差，可见，A1、A2和A3的传输线长度成递减的等差数列，相应的，A2的馈电相位会超前A1，A3的馈电相位超前A2，A1、A2和A3之间的馈电相位便形成等差数列，应当理解的是，具体超前的相位对应于传输线间设置的预设长度差。

需要说明的是，传输线的物理长度是实际所使用的板材所决定的，所使用的板材不同，传输线长度差导致的馈电相位差也不同，但通过合理的设置，可以实现传输线间的预设长度差对应馈电相位间的预设相位差，在此不对传输线的长度做具体的限定。

由于天线单元间的馈电存在相位差，为了使相对远场的辐射方向图不变，可以在空间上对天线单元进行错位排布，以抵消天线单元间馈电的相位差。具体的，对应馈电相位的等差数列关系，空间上也应对应的进行设置。1至N行天线单元中，可以从第2行起，每一行均在前一行的天线单元的基础上沿波前方向或者逆波前方向错开预设距离差。

可以理解的是，当天线单元馈电间的预设相位差为正值时，即第n个比第n-1个超前(n为大于等于2且小于等于N的整数)，为了抵消该相位差，应当在空间位置上使第n个天线单元在第n-1个天线单元的基础上逆波前方向缩进预设距离差，使第n个天线单元在空间上落后于第n-1个天线单元，从而抵消其在馈电相位上的超前，当预设相位差为负值时，则第n个天线单元应当在第n-1个天线单元的基础上沿波前方向突进预设距离差。具体的，预设距离差Δl应当满足NΔl＝a(λ/2)(a为整数，λ为波长)的条件，以抵消馈电相位上的相位差。

天线单元在空间上在突进或者缩进后，天线单元到波前方向上的垂直面的距离的集合形成等差数列，天线单元之间在波前方向上空间位置的错开形成的空间相位差与天线单元之间的馈电相位差相互抵消，从而使得辐射方向图保持不变，天线阵列能够按照预设的方向和大小进行辐射。

需要说明的是，波前方向上的垂直面应当是一个垂直于波前方向的平面，并且该平面所处的位置应当在天线阵列的波前，即应当在所有天线单元的朝向的前方，从而使得每一个天线单元均可以沿波前方向到该垂直面有一个距离。

以上为本申请实施例提供的天线阵列的一种具体实施方式，下面请参考图4，图4为本申请实施例提供的一种天线收发系统的结构示意图，该系统包括：

至少一个发射通道与至少一个接收通道，每个发射通道连接一个上述实施方式提供的任一种天线阵列，每个接收通道也连接一个上述的天线阵列，天线阵列之间两两平行。

由前文中的泄露信号对消原理说明可知，在本申请实施例提供的天线收发系统中，天线阵列之间需要满足两两平行的条件，可以使天线阵列之间在平行之余，两者在俯视角度上左右两边对齐在同一直线上，有利于泄露信号的对消，但最好的做法是，使发射和接收天线阵列堆叠式设置，需要说明的是，堆叠式设置并非指天线阵列上下贴合，天线阵列之间只需要在竖直方向上重叠，或者说在俯视角度下上下左右四个方向对齐即可，如此，天线阵列之间的泄露信号可以最大程度的对消。

需要说明的是，本文中平行并非指绝对的平行，重叠也并非是指绝对的重叠，在实际设置中，即使稍微有所偏差，也是能够解决本申请所要解决的技术问题，同样，本文中出现的竖直、对齐等用词也应当以相同的方式理解，在此不再赘述。

具体的，本申请实施例提供的天线收发系统可以包括：一个发射通道与三个接收通道，三个接收通道分别为如图4所示的接收通道1、接收通道2、接收通道3，相应的，每个通道均可以连接一个天线阵列，即发射通道连接一个发射天线阵列，三个接收通道连接三个接收天线阵列。

以上是本申请实施例提供的天线收发系统的一种具体实施方式，下面请参考图5，图5为本申请实施例提供的一种雷达系统的结构示意图，该系统包括：上述实施方式中提供的任一种天线收发系统501、信号调理模块502、信号生成模块503以及数据处理模块504；

信号生成模块503将信号提供给天线收发系统501进行发射，天线收发系统501将接受到的接收信号发送给信号调理模块502，信号调理模块502对接收信号进行调理后发送给数据处理模块504进行处理。

进一步的，该系统还包括供电模块505和上位机506。

在本申请实施例提供的雷达系统中，信号生成模块503可以产生本振信号与中频信号，其中，本振信号将提供给天线收发系统501的所有发射通道和所有接收通道，而中频信号则提供给天线收发系统501的发射通道以及信号调理模块502。

天线收发系统501将所有接收通道接收到的信号发送给信号调理模块502，信号调理模块502结合信号生成模块503提供的中频信号，对接收到的信号进行调理，其中调理包括下变频的过程，调理后的信号发送到数据处理模块504，数据处理模块504采集到调理后的信号并对信号进行处理分析。其中，数据处理模块504具体为位于数据采集和信号处理电路中芯片内部的算法固件。

而供电模块505用于提供上述雷达系统需要的电能，上位机506提供相关的软件及应用以对信号进行分析和二次处理。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种天线阵列，其特征在于，包括：N个天线单元；

N个所述天线单元波前方向相同且两两之间的横向间距相等；

N个所述天线单元的馈电相位形成第一等差数列，所述第一等差数列的公差为预设相位差；

N个所述天线单元到波前方向上的垂直面的距离形成第二等差数列，所述第二等差数列的公差为预设距离差；

所述预设距离差形成的N个所述天线单元之间相对于所述垂直面的空间相位差与所述预设相位差抵消；

所述N为大于或等于2的整数。

2.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述预设相位差与所述N的乘积等于π的整数倍。

3.根据权利要求2所述的天线阵列，其特征在于，所述N个所述天线单元的馈电相位形成第一等差数列，所述第一等差数列的公差为预设相位差具体包括：

N个所述天线单元的传输线长度成第三等差数列，所述第三等差数列的公差为预设长度差，所述预设长度差对应的N个所述天线单元之间的馈电的相位差为预设相位差。

4.根据权利要求2所述的天线阵列，其特征在于，所述N个所述天线单元的馈电相位形成第一等差数列，所述第一等差数列的公差为预设相位差具体包括：

N个所述天线单元的传输线上覆盖氧化铝或氮化铝或罗杰斯6010系列板材，以使得N个所述天线单元的馈电相位形成第一等差数列，所述第一等差数列的公差为预设相位差，所述预设相位差与所述N的乘积等于π的整数倍。

5.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述预设相位差与所述N的乘积为π。

6.根据权利要求5所述的天线阵列，其特征在于，所述N等于4或8。

7.一种天线收发系统，其特征在于，包括：

至少一个发射通道与至少一个接收通道，每个所述发射通道连接一个天线阵列，每个所述接收通道连接一个所述天线阵列，所述天线阵列为如权利要求1至6任一项所述的天线阵列，所述天线阵列之间两两平行。

8.根据权利要求7所述的天线收发系统，其特征在于，所述天线阵列之间两两在竖直方向上重叠。

9.根据权利要求8所述的天线收发系统，其特征在于，具有一个所述发射通道与三个所述接收通道。

10.一种雷达系统，其特征在于，包括：如权利要求7至9任一项所述的天线收发系统、信号调理模块、信号生成模块以及数据处理模块；

所述信号生成模块将发射信号提供给所述天线收发系统进行发射，所述天线收发系统将接收到的接收信号发送给所述信号调理模块，所述信号调理模块对所述接收信号进行调理后发送给所述数据处理模块进行处理。