CN112002987B - Aip芯片、双极化天线和毫米波成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AIP芯片、双极化天线和毫米波成像系统，包括至n个接收天线和发射天线，相邻的接收天线等距线性排列，发射天线的位置与接收天线的位置镜像对称，发射天线与接收天线的极化方式相互垂直，n为正整数；相邻的接收天线之间的中心距离为L1，相邻的接收天线和发射天线之间的中心距离为L2，L1≤λ<L2。双极化天线包括位置呈圆周均布的四组天线阵列，每组天线阵列包括m个AIP芯片，同一组天线阵列内的AIP芯片沿接收天线的排列方向线性阵列，相对两组天线阵列平移对称。天线阵列的布局方式结合AIP芯片上接收天线和发射天线的布局方式，使双极化天线可以工作在两种模式下而不影响成像的方位向分辨率，增加设计冗余度，提高成像系统的可靠性。

Description

AIP芯片、双极化天线和毫米波成像系统

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，特别涉及一种AIP芯片、双极化天线和毫米波成像系统。

背景技术

近年来，随着芯片技术的进步和成本的降低，毫米波系统开始进入民用领域，例如汽车雷达系统、交通雷达系统和安防成像系统等。这些系统的射频前端会使用发射天线和/或接收天线以在自由空间中发射和接收微波或毫米波信号。

目前，成像系统中大多应用单极化天线，其优点是设计简单、成本低廉，然而，单极化天线成像系统的具有以下不足：

1)对目标的分类精度差。物体对电磁波的散射特性与物体所在位置、表面几何结构以及材料特性有关，假如不同的物体呈现出相近的散射特性，而依赖于单一极化的电磁波来提取复杂的散射回波，会导致单极化天线的成像系统产生严重的误分类；

2)可靠性低。成像系统通常用到大规模的射频收发组件和天线阵列，每一收发通道与子天线一一对应，对于任意电子系统，使用的器件越多，设计冗余度越低，当长时间工作后，系统失效的概率会增大，导致系统的可靠性降低。

虽然部分大型的系统，如星载SAR雷达，可通过瞬态切换的收、发组件和全极化天线等方式来弥补以上的两个缺陷，但是系统的成本、体积和功耗显著增加，从而远远超出了民用领域的预算范畴。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种AIP芯片、双极化天线和毫米波成像系统，能够提高成像系统的分类精度和可靠性。

第一方面，根据本发明实施例的AIP(Antenna in Package，封装天线)芯片，包括n个接收天线，相邻的所述接收天线等距线性排列；n个发射天线，n个所述发射天线的位置与n个所述接收天线的位置镜像对称，所述发射天线与所述接收天线的极化方式相互垂直，n为正整数；其中，相邻的所述接收天线之间的中心距离为L1，相邻的所述接收天线和所述发射天线之间的中心距离为L2，L1≤λ<L2，λ为波长。

根据本发明实施例的AIP芯片，至少具有如下有益效果：

AIP芯片上的接收天线和发射天线采用了相互垂直的双极化方式，分类精度比任一单极化方式更高，当AIP芯片应用于成像雷达时，可以增强目标识别的精度和准确性，以及降低误判的概率，接收天线和发射天线的布局方式增加了设计冗余度，有利于提高成像系统的可靠性。

根据本发明的一些实施例，相邻的所述接收天线之间的中心距离L1≥0.5λ。

根据本发明的一些实施例，相邻的所述接收天线和所述发射天线之间的中心距离L2≤5λ。

第二方面，根据本发明实施例的双极化天线，包括位置呈圆周均布的四组天线阵列，每组所述天线阵列包括m个上述的AIP芯片，m为正整数，同一组所述天线阵列内的AIP芯片沿所述接收天线的排列方向线性阵列，相对的两组所述天线阵列平移对称。

根据本发明实施例的双极化天线，至少具有如下有益效果：

天线阵列的布局方式结合AIP芯片上接收天线和发射天线的布局方式，使双极化天线可以工作在两种模式下显著提高对目标的分类精度，同时保证等同的成像方位向分辨率，并增加了设计冗余度，有利于提高成像系统的可靠性。

根据本发明的一些实施例，在同一组所述天线阵列内，分别位于两个相邻的所述AIP芯片上且相邻的两个所述接收天线之间的中心距离为L3，0.5λ≤L3≤λ，λ为波长。

根据本发明的一些实施例，同一组所述天线阵列内，相邻两个所述接收天线之间的中心距离相等。

第三方面，根据本发明实施例的毫米波成像系统，包括上述的双极化天线。

根据本发明实施例的毫米波成像系统，至少具有如下有益效果：

天线阵列的布局方式结合AIP芯片上接收天线和发射天线的布局方式，使双极化天线可以工作在两种模式下而不影响成像的方位向分辨率，增加设计冗余度，有利于提高成像目标判别的准确性和系统工作的可靠性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的AIP芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例的双极化天线的结构示意图；

图3为图2示出的双极化天线在第一种工作模式下的孔径示意图；

图4为图2示出的双极化天线在第二种工作模式下的孔径示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

请参照图1，本实施例公开了一种AIP芯片，包括n个接收天线110和n个发射天线120，n为正整数，相邻的接收天线110等距线性排列，n个发射天线120的位置与n个接收天线110的位置镜像对称，发射天线120与接收天线110的极化方式相互垂直，接收天线110和发射天线120采用了相互垂直的双极化方式，其中，吴永辉等在2008年第1期发表的论文《利用SVM的全极化、双极化与单极化SAR图像分类性能的比较》中指出，全极化数据能够获得最好的分类性能，双极化次之，单极化最低。而本实施例通过双极化的电磁波来提取目标物体的散射回波，使分类精度比任一单极化方式更高，当AIP芯片应用于成像雷达时，可以增强目标识别的精度和准确性，以及降低误判的概率，接收天线110和发射天线120采用对称布局，当多个AIP芯片100组成下述的双极化天线时，接收天线110和发射天线120的布局方式增加了设计冗余度，有利于提高成像系统的可靠性。其中，相邻的接收天线110之间的中心距离为L1，当AIP芯片100组成下述的双极化天线时，双极化天线的方位向分辨率取决于双极化天线的孔径(术语，相当于有效截面积)大小，孔径越大，双极化天线的方位向分辨率越高，而中心距离L1会影响双极化天线的孔径大小，因此增大中心距离L1，可以提高双极化天线的方位向分辨率，但是如果中心距离L1大于波长λ时，波长λ为中心工作频率对应自由空间的波长，容易导致波瓣分裂、出现栅瓣，因此中心距离L1≤λ。相邻的接收天线110和发射天线120之间的中心距离为L2，为了满足接收天线110和发射天线120之间的隔离度要求，中心距离L2>λ。

当中心距离L1<0.5λ时，AIP芯片100的加工难度增加，且相邻的接收天线110之间的隔离度会显著下降，因此相邻的接收天线110之间的中心距离L1≥0.5λ。需要说明的是，n个发射天线120与n个接收天线110的位置镜像对称，因此相邻的发射天线120之间的中心距离等于中心距离L1。

在实际应用中，由于AIP芯片100封装尺寸的限制，以及为了满足AIP芯片100组成下述的双极化天线后工作模式互调的要求，相邻的接收天线110和发射天线120之间的中心距离L2≤5λ。

请参照图2，本发明实施例还公开一种双极化天线，包括位置呈圆周均布的四组天线阵列200，每组天线阵列200包括m个上述的AIP芯片100，m为正整数，同一组天线阵列200内的AIP芯片100沿接收天线110的排列方向线性阵列，相对的两组天线阵列200平移对称，例如上下两组平移对称，左右两组平移对称。需要说明的是，本实施例中的平移对称指其中一组天线阵列200沿某一方向平移后，可以与另一组天线阵列200重合。

天线阵列200的布局方式结合AIP芯片100上接收天线110和发射天线120的布局方式，使双极化天线可以工作在两种模式下显著提高对目标的分类精度，同时保证等同的成像方位向分辨率，并增加了设计冗余度，有利于提高成像系统的可靠性。

请参照图1，AIP芯片100中接收天线110与发射天线120的极化方式相互垂直，假设接收天线110的极化方式为135°线极化，发射天线120的极化方式为45°线极化，请参照图3，第一种工作模式为将左右两列AIP芯片100中的发射天线120配置为依次发射，将上下两排AIP芯片100的接收天线110配置为同时接收，由图3可知，接收极化方式和发射极化方式均为45°极化，孔径大小为A1。请参照图4，第二种工作模式为将上下两排AIP芯片100中的发射天线120配置为依次发射，将左右两列AIP芯片100的接收天线110配置为同时接收，由图4可知，接收极化方式和发射极化方式均为135°极化，此时的孔径大小为A2。请参照图2，由于同一天线阵列200内的AIP芯片100为线性阵列排布，四组天线阵列200的位置圆周均布，且相对的两组天线阵列200平移对称，因此A2＝A1。当双极化天线工作在某一工作模式下时，如果某一AIP芯片100中的接收天线110或发射天线120出现损坏，双极化天线可以切换到另一工作模式继续工作，切换工作模式后双极化天线的孔径大小不变，成像的方位向分辨率等同，使双极化天线的设计冗余度增加，有利于延长产品的使用寿命以及提高产品的可靠性。

请参照图2，在同一组天线阵列200内，分别位于两个相邻的AIP芯片100上且相邻的两个接收天线110之间的中心距离为L3，为了满足接收天线110之间、发射天线120之间的隔离度要求，以及为了避免波瓣分裂出现栅瓣，中心距离L3应满足要求：0.5λ≤L3≤λ，λ为中心工作频率对应自由空间的波长。

为了降低加工难度和保证等同的方位向分辨率，同一组天线阵列200内，相邻两个接收天线110之间的中心距离相等，即L3＝L1。

本发明实施例还公开一种毫米波成像系统，包括上述的双极化天线。

下面参照图1至图4以一个具体的实施例详细描述本发明实施例的毫米波成像系统。值得理解的是，以下描述仅是示例性说明，并非对本发明的具体限制。

假设毫米波成像系统的中心工作频率为78GHz，射频前端工作带宽为12GHz，中心工作频率对应自由空间的波长λ约为3.85mm。

请参照图1，AIP芯片100中的接收天线110的极化方式为135°线极化，发射天线120的极化方式为45°线极化，两者的极化方式相互垂直。AIP芯片100上集成了4个接收天线110和4个发射天线120，为了避免波瓣分裂以及满足隔离度要求，AIP芯片100内相邻的接收天线110之间的中心距离L1为3mm，同理，相邻的发射天线120之间的中心距离为3mm，相邻的接收天线110和发射天线120之间的中心距离L2为8mm。

请参照图2，图2示出了双极化天线的布局结构，其中每组天线阵列200均包括3个AIP芯片100。为了满足成像分辨率的要求，本实施例中每组天线阵列200均包括12个AIP芯片100，为了降低加工难度，同一组天线阵列200内，L3＝L1＝3mm。

请参照图3，在正常情况下，毫米波成像系统使双极化天线工作在第一种工作模式下，即将双极化天线中左右两列AIP芯片100的发射天线120配置为依次发射，将上下两排AIP芯片100的接收天线110配置为同时接收，由图3可知，接收极化方式和发射极化方式均为45°极化，孔径大小为A1。当在工作过程中，若某一AIP芯片100的接收天线110或发射天线120损坏，毫米波成像系统可将双极化天线切换到第二种工作模式下继续工作，请参照图4，即将双极化天线中上下两排AIP芯片100的发射天线120配置为依次发射，将左右两列AIP芯片100的接收天线110配置为同时接收，由图4可知，接收极化方式和发射极化方式均为135°极化，此时的孔径大小A2＝A1。两种工作模式下，虽然双极化天线的孔径位置发生偏移，但是孔径大小不变，成像的方位向分辨率等同，而孔径的位置偏移可通过其它方式进行校准补偿，例如系统级别的校准补偿。

天线阵列200的布局方式结合AIP芯片100上接收天线110和发射天线120的布局方式，使双极化天线可以工作在两种模式下而不影响成像的方位向分辨率，增加设计冗余度，有利于提高成像目标判别的准确性和系统工作的可靠性。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种双极化天线，其特征在于，包括位置呈圆周均布的四组天线阵列(200)，每组所述天线阵列(200)包括m个AIP芯片(100)，m为正整数，每个所述AIP芯片包括n个接收天线(110)和n个发射天线(120)，相邻的所述接收天线(110)等距线性排列，n个所述发射天线(120)的位置与n个所述接收天线(110)的位置镜像对称，所述发射天线(120)与所述接收天线(110)的极化方式相互垂直，n为正整数；其中，相邻的所述接收天线(110)之间的中心距离为L1，相邻的所述接收天线(110)和所述发射天线(120)之间的中心距离为L2，L1≤λ<L2，λ为波长，同一组所述天线阵列(200)内的AIP芯片(100)沿所述接收天线(110)的排列方向线性阵列，相对的两组所述天线阵列(200)平移对称。

2.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，在同一组所述天线阵列(200)内，分别位于两个相邻的所述AIP芯片(100)上且相邻的两个所述接收天线(110)之间的中心距离为L3，0.5λ≤L3≤λ，λ为波长。

3.根据权利要求1或2所述的双极化天线，其特征在于，同一组所述天线阵列(200)内，相邻两个所述接收天线(110)之间的中心距离相等。

4.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，相邻的所述接收天线(110)之间的中心距离L1≥0.5λ。

5.根据权利要求1或4所述的双极化天线，其特征在于，相邻的所述接收天线(110)和所述发射天线(120)之间的中心距离L2≤5λ。

6.一种毫米波成像系统，其特征在于，包括权利要求1至5任意一项所述的双极化天线。

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