CN110190409B

CN110190409B - 波束赋形天线的波束赋形算法、设计方法以及波束赋形天线

Info

Publication number: CN110190409B
Application number: CN201910466177.3A
Authority: CN
Inventors: 董贵滨; 刘洋; 黄文锐; 欧阳耀果; 任毅; 李爽
Original assignee: COLIGEN (CHINA) CORP
Current assignee: COLIGEN (CHINA) CORP
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2039-05-31
Also published as: CN110190409A

Abstract

本发明公开了一种波束赋形天线的波束赋形算法、基于该算法的波束赋形天线的设计方法以及波束赋形天线，涉及赋形天线技术领域、雷达以及汽车电子技术领域；本发明所公开的波束赋形算法首先根据波束的个数、辐射单元的个数计算出每个辐射单元对应的每个波束的幅相矢量，然后将每个辐射单元对应的每个波束的幅相矢量通过一定的比例因子进行幅相矢量的加法运算得出每个辐射单元的目标幅相矢量；最后根据计算出的结果进行功分网络层的设计；本发明所公开的波束赋形算法简单实用，设计周期短并且能够根据实际需要得到有效的波束波形，有效的利用天线的辐射能量。

Description

波束赋形天线的波束赋形算法、设计方法以及波束赋形天线

〖技术领域〗

本发明涉及波束赋形、雷达以及汽车电子技术领域，特别是涉及波束赋形天线的波束赋形算法、基于该算法的波束赋形天线的设计方法以及波束赋形天线。

〖背景技术〗

智能安全驾驶离不开微波雷达传感器，这些传感器雷达一般工作于24GHz～24.25GHz(简称24G)以及76GHz～81GHz(简称77G)，并安装于车体的各个位置，以实现对于汽车不同区域内目标的感知。

在汽车的前向常用作用距离更远、分辨率更高的77G雷达，用于自适应巡航(ACC)和紧急制动(AEB)。

在汽车的后向可采用相对成本更低的24G雷达来实现盲点监测(BSD)、变道辅助(LCA)、倒车侧向告警(RCTA)以及开门预警(DOW)等功能。后向的四种功能常常被要求在一部雷达中实现，即在汽车的左后角和右后角各装一部雷达，两部雷达分别覆盖汽车左后和右后两部分区域，实现以上四种功能。由于这四种功能需要覆盖的区域大，且是非连续区域，故可以对雷达天线波束采用特殊设计以提高雷达能力。

四种功能相对于汽车的位置说明如下：

BSD功能要求雷达可判别汽车后方0米～7米的正后方车道和邻车道的威胁目标；

LCA功能要求雷达可判别汽车后方0米～70米的正后方车道和邻车道的威胁目标；

DOW功能要求雷达可判别汽车后方0米～30米的正后方车道和邻车道的威胁目标；

RCTA功能要求雷达可判别汽车后方垂直于车体方向车道上0米～30米内的威胁目标。

可见，前三种功能要求雷达的探测区域(第一探测区域)与第四种功能要求的探测区域(第二探测区域)不同，且不连续。

对于雷达安装来说，为了满足天线波束对于实现四种功能所涉及的两部分区域的有效覆盖，一般采用的安装的夹角与汽车尾部呈30～35度(即雷达法向与车体侧边的夹角为30～35度)。对于接收天线，雷达常采用宽波束设计，以覆盖全部区域。对于发射天线而言，若仍然采用与接收天线相同的宽波束设计，则会使雷达辐射能量大部分集中到汽车的侧后方，这也是两个探测区域之间的位置，辐射能量未能更加有效的利用。故需要对雷达的发射天线波束进行针对性的赋形设计，以保证发射天线在两个需要的覆盖区域实现增益最大化。

现有技术一篇名为《一种用于汽车防撞雷达的波束赋形阵列天线》的文章中，采用粒子群算法(PSO)对多列微带天线的激励幅度和相位进行了优化，改善了雷达天线照射到实现四种功能所需的两个探测区域，但存在以下两点缺陷：

(1)粒子群(PSO)算法是一种优化算法，是一种随机搜索算法，需要复杂的编程，合理的初始值设置以及合理的适应度建立，才可能获得优化目标的实现，难度较大，研制周期长；

(2)文中优化的赋形方向图在两个探测区域之间的位置未能形成较高的抑制，增益还是很高的，雷达天线辐射能量未能得到有效的利用。

〖发明内容〗

本发明的第一目的旨在提供一种多波束赋形天线的波束赋形的计算方法，该方法计算简单，能够快速的得到目标的多波束波形，从而缩短天线的设计周期。

本发明的第一目的采用以下技术方案实现：

一种波束赋形天线的波束赋形算法，所述波束赋形天线包括m个从左到右依次排列的辐射单元，每个辐射单元的馈电点各自连接一馈电微带线，多个馈电微带线连接至一合路馈电点，所述波束赋形天线通过所述合路馈电点馈电；其特征在于，所述波束赋形算法包括以下步骤：

S1、计算每个辐射单元对应的每个波束指向角的馈电相位，所述波束指向角是指天线阵面法向与天线波束指向夹角；表面法向到波束指向方向为顺时针时为负角度，逆时针时为正角度；

公式1：

其中：k----波数,

λ---所述赋形天线的工作波长，λ＝c/f，c---光速，f---所述赋形天线工作频率；

n----波束的序号，x＝1～N，N---波束的个数，N≥2；

i----辐射单元的序号；i＝1～m，m---辐射单元的个数，m≥3；

D_i----第i个辐射单元的馈电点距坐标原点的水平距离，最左侧的辐射单元的馈电点为所述坐标原点；

θ_n----第n个波束指向角；

----第n个波束中第i个辐射单元的相位；

S2、确定每个波束的馈电幅度从而获得每个辐射单元对应的每个波束指向角的馈电幅度相位F(n,i)；

公式2：

其中：A_n-----第n个波束的馈电幅度；

F(n,i)-----第n个波束中第i个辐射单元的馈电幅度相位；

e---自然对数的底；

j----虚数单位；

S3、获取目标赋形天线中每个辐射单元的目标馈电幅度相位F_target(i)，从而获得每个辐射单元的目标馈电相位ω(i)及目标馈电幅度A_target(i)：

公式3：

其中：μ_n----第n个波束馈的电幅度的比例因子，用于控制每个波束的幅度的大小。

优选的，两两相邻的所述辐射单元的馈电点的沿水平方向的间距为0.5λ～λ；更优选的为0.5λ～0.8λ。

优选的，若干个所述辐射单元按馈电点沿水平方向等间距排列，相邻的两辐射单元的馈电点沿水平方向的距离为d，则

所述水平方向为各辐射单元排列的方向。

具体的，所述波束赋形天线为双波束天线，即波束的个数N＝2；两个波束指向角分别为θ₁＝32°，θ₂＝-38°。

具体的，所述波束赋形天线包括六个辐射单元，即m＝6。

具体的，每个所述辐射单元均是由10个按照副瓣25dB的泰勒加权分布的微带贴片构成的串馈微带天线，所述串馈微带天线采用中心馈电。

优选的，六个辐射单元从左到右两两馈电点间相位差分别为180度、180度、0度、180度、180度。

具体的，每个所述串馈微带天线的中间两个微带贴片间的馈线段采用180度移相结构；相邻的相位差为180度的两馈电点所属的两列串馈微带天线镜像设置。

优选的，各波束馈电幅度的比例因子分别为μ₁＝1，μ₂＝0.75；通过控制μ值来控制每个波束的幅度，使每个波束的幅度相等或近似相等。

优选的，各波束的馈电幅度均为1，即A₁＝A₂＝1。

本发明的第二目的旨在提供一种波束赋形天线的设计方法，能够有效的缩短天线的设计周期。

本发明的第二目的采用以下技术方案实现：

一种波束赋形天线的设计方法，包括以下步骤：

a、采用第一目的所述的波束赋形算法进行波束赋形，得到每个辐射单元的目标馈电幅度及目标馈电相位；

b、设计功分网络层，通过控制每个辐射单元的馈电点连接的馈电微带线的宽度调节馈电幅度，通过控制每个辐射单元的馈电点连接的馈电微带线的长度调整馈电相位。

进一步地，步骤a之前还包括以下步骤：根据使用功能需求，获得所述波束赋形天线的波束个数以及各个波束指向角；选取波束赋形天线的结构形式、辐射单元的结构形式以及辐射单元的个数。

本发明的第三目的旨在提供一种波束赋形天线。

本发明的第三目的采用以下技术方案实现：

一种波束赋形天线，包括：

上层介质基板、中层介质板以及下层介质基板；

微带辐射层，位于上层介质板的上表面，包括若干个从左到右依次排列的辐射单元；

两个金属底板层，分为位于上层介质板与中层介质板之间、中层介质板与下层介质板之间；

功分网络层，位于下层介质板的下表面，包括若干条馈电微带线；若干条馈电微带线与若干个辐射单元的馈电点一一对应连接，所述馈电微带线一端通过一馈电过孔连接所述辐射单元的馈电点，另一端连接至一合路馈电点；所述功分网络层采用本发明的第一目的所述的波束赋形算法进行波束赋形；

所述馈电过孔垂直于各层表面方向设置，所述波束赋形天线通过所述合路馈电点馈电。

具体的，所述上层介质板包括由上至下依次设置的0.254mm厚的Rogers4350B板材、0.1mm厚的Rogers4450板材；所述中层介质板为0.485mm的FR4板材；所述下层介质板为0.254mm厚的Rogers4350B板材。

本发明的有益技术效果：本发明的波束赋形天线的波束赋形算法、波束赋形天线的设计方法，算法简单，设计周期短，能够得到高增益的赋形天线；

采用双波束的波束赋形天线的在汽车雷达的两个探测区域之间的位置能形成较高的抑制，雷达天线的辐射能量能得到有效的利用。

〖附图说明〗

图1是本发明实施例提供的波束赋形天线的剖面示意图；

图2是本发明实施例提供的波束赋形天线的结构图；

图3是本发明实施例提供的波束赋形天线的功分网络图；

图4是本发明实施例提供的雷达安装位置以及波束所需覆盖区域示意图；

图5是本发明实施例提供的波束赋形天线的双波束天线方向图以及一个辐射单元的方向图；

图6是本发明实施例提供的双波束车载雷达天线以及仅包括一个辐射单元的雷达天线的波束覆盖区域图。

〖具体实施方式〗

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

一种波束赋形天线的波束赋形算法，所述波束赋形天线包括m个从左到右依次排列的辐射单元，每个辐射单元的馈电点各自连接一馈电微带线，多个馈电微带线连接至一合路馈电点，所述波束赋形天线通过所述合路馈电点馈电；所述波束赋形算法包括以下计算步骤：

S1、计算每个辐射单元对应的每个波束指向角的馈电相位，所述波束指向角是指天线阵面法向与天线波束指向夹角；表面法向到波束指向方向为顺时针时波束指向角为负角度，逆时针时为正角度；

公式1：

其中：k----波数,

n----波束的序号，x＝1～N，N---波束的个数，N≥2；

i----辐射单元的序号；i＝1～m，m≥3；

d_i----第i个辐射单元的馈电点距坐标原点的水平距离；最左侧的辐射单元的馈电点为所述坐标原点；

θ_n----第n个波束指向角；

----第n个波束中第i个辐射单元的馈电相位；

S2、确定每个波束的馈电幅度从而获得每个辐射单元对应的每个波束指向角的馈电幅度相位F(n,i)

公式2：

其中：A_n-----第n个波束的馈电幅度；

F(n,i)-----第n个波束中第i个辐射单元的馈电幅度相位；

e---自然对数的底；

j----虚数单位；

本步骤获得的是每个辐射单元对应的每个波束指向角的馈电幅相矢量，其中An是该幅相矢量的幅度，

是该幅相矢量的角度。

公式3：

本步骤对应的是计算每个辐射单元多个波束指向的幅相矢量的加法运算。

根据上述算法，以汽车雷达为例，介绍波束赋形天线的设计过程，包括以下步骤：

(1)目标方向图的确定：确定波束个数以及每个波束的指向角

参考图4，根据雷达功能需求确认，雷达10的安装夹角为雷达法向(即天线阵面法向)与车体9侧边沿夹角θ＝35°设置；雷达功能的两个探测区域包括第一探测区域(RCTA区域)以及第二探测区域(BSD/LCA/DOW区域)，估算第一探测区域范围为雷达法向至雷达法向逆时针方向32°左右的区域，第二探测区域范围为雷达法向至雷达法向顺时针方向38°的区域左右，因此将目标波束波形为双波束，即N＝2，其中第一波束的指向角θ₁＝32°，第二波束的指向角θ₂＝-38°。

(2)波束赋形天线整体结构确定

参考图1～3，本实施例的波束赋形天线采用如下结构，一种波束赋形天线包括：

上层介质基板1、中层介质板2、下层介质基板3、微带辐射层4、金属底板层5、金属底板层6、功分网络层7以及用于连接微带辐射层与功分网络层的馈电过孔(图中未示)；

上层介质板1包括从上到下依次构成的第一上层介质板11、第二上层介质板12，其中第一上层介质板11为0.254mm厚的Rogers4350B板材、第二上层介质板12为0.1mm厚的Rogers4450板材；

中层介质板2为0.485mm的FR4板材；

下层介质板3为0.254mm厚的Rogers4350B板材；

微带辐射层4，位于上层介质板1的上表面，包括m个从左到右依次排列的辐射单元；

金属底板层5，位于上层介质板1与中层介质板2之间；

金属底板层6，位于中层介质板2与下层介质板3之间；

功分网络层7，位于下层介质板2的下表面，包括m条馈电微带线、合路馈电点73；m条馈电微带线与m个辐射单元一一对应连接，所述馈电微带线一端通过一馈电过孔连接所述辐射单元的馈电点，另一端连接合路馈电点73，所述波束赋形天线通过合路馈电点73馈电；

馈电过孔(图中未示)，用于连接微带辐射层4和功分网络层7，垂直于各层表面方向设置。

本步骤与步骤(1)的顺序不限制于本实施例所公开的顺序，在其他实施例中也可以先进行步骤(2)，再进行步骤(1)，也就是可以先确定雷达天线的硬件大体结构，再确认目标方向图。

(3)微带辐射层的设计

如图2所示，本实施例中，每个所述辐射单元均是由10个按照副瓣25dB的泰勒加权分布的微带贴片构成的串馈微带天线，所述串馈微带天线采用中心馈电；在其它实施例中，每个辐射单元也可以采用其他的结构设计。

辐射单元的个数m≥3个，根据实际情况，m取值越大，实际方向图中波束指向偏差越小，但也要考虑实际尺寸的需求以及辐射单元间距；本实施例中m取6，也就是说微带辐射层包括六列串馈微带天线，六列串馈微带天线从左到右依次排列；

相邻两两串馈微带天线的馈电点沿水平方向的间距为0.5λ～λ；优选的为0.5λ～0.8λ，在实际的使用中，0.5λ～0.8λ的间距综合了阵元间耦合、阵列增益和副瓣等情况，是较为合理的间距设置；本实施例中六列串馈微带天线按照馈电点在水平方向等间距排列，也是个就是功分网络层上各个馈电微带线为等间距设置，间距为d，在其它实施例中也可以是不等间距设置；此处所说的水平方向是多个辐射单元排列的方向；

优选的，如图2所示，为了减少相位误差的影响，六列串馈微带天线从左到右相邻的两两馈电点间相位差分别为180度、180度、0度、180度、180度；具体的，每个所述串馈微带天线的中间两个微带贴片间的馈线段采用180度移相结构；同时相邻的相位差为180度的两馈电点所属的两列串馈微带天线镜像设置。在其它实施例中，根据辐射单元的个数以及实际情况灵活的确定相邻的馈电点的相位差。

带180度移相结构两列串馈微带天线镜像设置能够使二者的馈电点的相位差为180度，同向设置使二者的馈电点的相位偏差为0度(如图2所示，中间两列的串馈微带天线的180度移相结构是同向排列的，二者馈电点的相位偏差为0度)。

(4)根据本技术方案的算法进行波束赋形

S1、计算每个辐射单元对应的每个波束指向角的馈电相位，

公式1：

其中：k＝2π/λ；λ＝c/f，c---光速，f---天线工作频率；本实施例中f＝24.125GHz；因此可得出λ约为12.435mm；k＝0.5053rad/mm；

n----波束的序号，x＝1～N，N---波束的个数，N＝2；

i----辐射单元的序号；i＝1～m，m＝6；

D_i----第i个辐射单元的馈电点距坐标原点的距离，最左侧的辐射单元的馈电点为所述坐标原点；本实施例中间距d取值为6.5mm(约为0.52λ)，因此从左到右的辐射单元的馈电点到所述坐标原点的距离d_i依次为d₁＝0mm、d₂＝6.5mm、d₃＝13mm、d₄＝19.5mm、d₅＝26mm、d₆＝32.5mm；

θ_n----第n个波束的指向角，根据步骤(1)可知：θ₁＝32°、θ₂＝-38°；

----第n个波束中第i个辐射单元的馈电相位；

根据该公式计算出的每一辐射单元分别对应的第一波束与第二波束的馈电相位(rad)参考表1中各个波束的馈电相位列；

公式2：

其中，

为根据步骤S1计算出的结果，A1与A2均为1，参考表1各个波束的馈电幅度(W)列；

F(n,i)实际就是第i个辐射单元对应的第n个波束指向角的幅相矢量；其中其中An是该幅相矢量的长度，

是该幅相矢量的角度。

S3、获取每个辐射单元对应的双波束的目标馈电幅度相位F_target(i)，从而获得每个辐射单元的目标馈电相位ω(i)及目标馈电幅度A_target(i)：

由公式3：

此处控制第一波束与第二波束的馈电幅度比例，本实施例中μ₁＝1，μ₂＝0.75；计算结果参考参考表1的每一辐射单元分别对应的第一波束+第二波束的馈电相位(rad)(即目标馈电相位)及馈电幅度(W)(即目标馈电幅度)；其中目标馈电幅度的取值范围为(-π～π)。

表1：计算得到的波束馈电幅度及馈电相位

下述以表1第二个辐射单元为例进行计算过程的详细说明(此时i＝2)：

S1、

S2、

S3、

由步骤S3、计算结果可知，此时A_target(2)＝0.58,ω(2)＝2.58rad；

本发明所公开的波束赋形算法计算出每个辐射单元对应的每个波束的幅相矢量，然后将每个辐射单元对应的每个波束的幅相矢量通过一定的比例因子μ进行幅相矢量的加法运算得出每个辐射单元的目标幅相矢量；步骤S3实际上就是矢量的加法运算，采用欧拉公式进行计算，为现有技术公知的计算方法，此处不详细展开。波束馈电幅度的比例因子μ值是调整两个波束的馈电幅度的，由于两个波束馈电幅度相位矢量叠加过程中，对天线的幅度形成了加权，导致了两个波束的幅度不相等，因此对μ值的适当调整，使两个波束的幅度近似相等。本实施例中μ₁＝1，μ₂＝0.75时两个波束的幅度(图5中两个波束的波形的波峰)近似相等(参考图5)。

(5)功分网络层的设计

根据步骤(4)中表1计算出的每一辐射单元的目标馈电相位及目标馈电幅度设计功分网络层，通过控制功分网络层上的每一馈电微带线的宽度调节馈电幅度，通过调整功分网络层上的每一馈电微带线的长度调整馈电相位。

(6)仿真测试

通过仿真软件仿真获得六列辐射单元阵形成的双波束方向图，见图5。其中一条曲线是单列天线方向图，另一条曲线是根据计算幅度和相位获得的双波束方向图。由双波束天线方向图曲线可见，第一波束(图中角度0点右侧波束)指向+32度附近，第二波束(图中角度0点左侧波束)指向-38度附近，方向图最大值指向偏差是由于串馈微带天线的个数较少的缘故，在其它实施例中为了提高进度也可以采用数量更多(m>6)的串馈微带天线排列组成。

参考图6，一个辐射单元天线波束的覆盖区域方向图中辐射能量没有得到充分的利用，本发明的双波束天线在关注的区域具有更高的增益覆盖。

此外，本发明描述过程中可能涉及的“上”、“下”、“左”、“右”“平行”、“垂直”等用语，旨在结合附图对发明的构造给出更清楚的说明，其不应当被理解为在生产、使用、销售过程中对本发明具体方位、方向的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，不经创造性所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种波束赋形天线的波束赋形算法，所述波束赋形天线包括m个从左到右依次排列的辐射单元，每个辐射单元的馈电点各自连接一馈电微带线，多个馈电微带线连接至一合路馈电点，所述波束赋形天线通过所述合路馈电点馈电；其特征在于，所述波束赋形算法包括以下计算步骤：

S1、计算每个辐射单元对应的每个波束指向角的馈电相位，所述波束指向角是指天线阵面法向与天线波束指向夹角；

公式1：

其中：k----波数,

n----波束的序号，x＝1～N，N---波束的个数，N≥2；

i----辐射单元的序号；i＝1～m，m≥3；

D_i----第i个辐射单元的馈电点距坐标原点的水平距离；最左侧的辐射单元的馈电点为所述坐标原点；相邻两辐射单元的馈电点沿水平方向的间距为0.5λ-λ；

θ_n----第n个波束指向角；

----第n个波束中第i个辐射单元的馈电相位；

公式2：

其中：A_n-----第n个波束的馈电幅度；

F(n,i)-----第n个波束中第i个辐射单元的馈电幅度相位；

e---自然对数的底；

j----虚数单位；

S3、获取每个辐射单元的目标馈电幅度相位F_target(i)，从而获得每个辐射单元的目标馈电相位ω(i)及目标馈电幅度A_target(i)：

公式3：

其中：μ_n----第n个波束馈电幅度的比例因子；

所述波束赋形天线为双波束天线，即波束的个数N＝2；且各波束馈电幅度的比例因子μ_n的取值使得两个波束的波峰相同或者相近。

2.根据权利要求1所述的波束赋形算法，其特征在于，若干个所述辐射单元按馈电点沿水平方向等间距排列，相邻的两辐射单元的馈电点沿水平方向的距离为d，则

或者若干个所述辐射单元按馈电点沿水平方向的排列间距不相同。

3.根据权利要求1或2所述的波束赋形算法，其特征在于，两个波束指向角分别为θ₁＝32°，θ₂＝-38°。

4.根据权利要求3所述的波束赋形算法，其特征在于，所述波束赋形天线包括六个辐射单元，即m＝6。

5.根据权利要求4所述的波束赋形算法，其特征在于，每个所述辐射单元均是由10个按照副瓣25dB的泰勒加权分布的微带贴片构成的串馈微带天线，所述串馈微带天线采用中心馈电。

6.根据权利要求5所述的波束赋形算法，其特征在于，六个辐射单元从左到右两两馈电点间相位差分别为180度、180度、0度、180度、180度。

7.一种波束赋形天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、采用权利要求1～6任意一项所述的波束赋形算法进行波束赋形，得到每个辐射单元的目标馈电幅度及目标馈电相位；

b、设计功分网络层，通过控制每个辐射单元的馈电点到所述合路馈电点的微带线宽调节馈电幅度，通过每个辐射单元的馈电点到所述合路馈电点的微带线的长度调整馈电相位。

8.根据权利要求7所述的波束赋形天线的设计方法，其特征在于，步骤a之前还包括以下步骤：根据使用功能需求，获得所述波束赋形天线的波束个数以及每个波束的指向角；选取波束赋形天线的结构形式、选择辐射单元的结构形式以及辐射单元的个数。

9.一种波束赋形天线，其特征在于：包括，

上层介质基板、中层介质板以及下层介质基板；

功分网络层，位于下层介质板的下表面，包括若干条馈电微带线；若干条馈电微带线与若干个辐射单元一一对应连接，所述馈电微带线一端通过一馈电过孔连接所述辐射单元的馈电点，另一端连接至一合路馈电点；所述功分网络层采用权利要求1～6任意一项所述的波束赋形算法进行波束赋形；

10.根据权利要求9所述的波束赋形天线，其特征在于：所述上层介质板包括由上至下依次设置的0.254mm厚的Rogers4350B板材、0.1mm厚的Rogers4450板材；所述中层介质板为0.485mm的FR4板材；所述下层介质板为0.254mm厚的Rogers4350B板材。