CN112136060B - 用于机动车的mimo雷达传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于机动车的MIMO雷达传感器，该MIMO雷达传感器具有在矩形电路板(16)上的天线装置(10)，该电路板的边缘定义y方向和z方向，其中，天线装置包括由发送天线(TX)组成的至少两个阵列(TA1，TA2)和由接收天线(RX)组成的至少两个阵列(RA1，RA2)，每个阵列内的发送天线(TX)在z方向上彼此错位，而发送天线的两个阵列(TA1、TA2)在y方向上彼此错位，每个阵列内的接收天线(RX)在y方向上彼此错位，而接收天线的两个阵列(RA1、RA2)在z方向上彼此错位，其特征在于，发送天线的两个阵列(TA1、TA2)布置为与电路板(16)的两个彼此相对置的边缘相邻，接收天线的两个阵列(RA1、RA2)布置为与电路板(16)的其余两个边缘相邻，并且在该电路板上在发送天线与接收天线的阵列之间在电路板(16)的中心区域中布置有至少一个高频模块(18)。

Description

用于机动车的MIMO雷达传感器

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的MIMO雷达传感器，该MIMO雷达传感器具有在矩形电路板上的天线装置，该电路板的边缘定义y方向和z方向，其中，该天线装置包括由发送天线组成的至少两个阵列和由接收天线组成的至少两个阵列，每个阵列内的发送天线在z方向上彼此错位，而两个发送天线的阵列在y方向上彼此错位，并且每个阵列内的接收天线在y方向上彼此错位，而两个接收天线的阵列在z方向上彼此错位。

背景技术

雷达传感器用于机动车的驾驶员辅助系统或自主驾驶引导系统中，以进行周围环境监测、尤其是测量与其他车辆以及与静止对象的间距、相对速度和方向角。除了检测对象的方位角(即车辆的前向方向与至对象的视线(Sehstrahl)在水平面上的投影之间的角度)之外，通常还需要检测仰角(即至对象的视线与水平面之间的角度)。仰角例如实现关于目标的相关性的陈述，即关于以下相关性：目标是否是可驶过的或可穿过的(例如桥梁)，或者目标是否涉及真正的障碍物。

可以由天线阵列的多个发送天线和/或接收天线之间的幅度和/或相位差求取目标的方位角和仰角。如果使用多个发送天线和多个接收天线，则称之为“多输入多输出(MIMO)系统”。由此得到(虚拟)扩大的天线孔径并且因此得到经改善的角度准确度和角度分离能力。

对于方位角估计，必须在专门的分析处理通道中分析处理由各个接收天线接收到的信号。为了在给定分析处理通道数量的情况下改善方位角的角度准确度和角度分离能力，通常如下选择各个天线之间的间距：该间距大于雷达波的半波长λ/2。但是，由此可能出现多值性(Mehrdeutigkeit)，该多值性要么必须借助单独的天线阵列来解决，要么必须借助其他方法来解决，例如通过在较长的时间段上追踪所定位的目标。

在常见的FMCW雷达传感器中，所发送的雷达信号的频率被斜坡状地调制。所接收的信号与在接收时刻所发送的信号的一部分混频，从而获得中频信号，该中频信号的频率对应于所发送的信号与所接收的信号之间的频率差。该频率差由于频率调制而取决于信号传播时间，并且由于多普勒效应还取决于对象的相对速度，从而在多个测量周期(在这些测量周期中使用(gefahren)具有不同的斜率的斜坡)中获得关于对象的间距和相对速度的信息。在测量周期中所记录的中频信号通过快速傅里叶变换(FFT)被转换成频谱，在该频谱中每个所定位的对象都通过某个频率区间(Frequenzbin)中的峰值来表征。

对于角度估计则充分利用以下情况：由不同接收天线获得的信号的幅度关系和相位关系以特征性的方式取决于对象的角度。例如构造所谓的DML函数(DeterministicMaximum Likelihood Funktionen，确定性最大似然函数)，该DML函数说明针对对象实际测量的幅度关系和相位关系与针对不同角度假设的理论上的幅度关系和相位关系的关联程度。于是，关联程度最大的角度假设表示对于对象角度的最佳估计值。

为了获得尽可能大的角度分辨率，整个天线装置应在y方向以及z方向上都具有尽可能大的孔径或至少尽可能大的虚拟孔径。因此，天线装置必须具有相对较大的尺寸，从而需要相应大的电路板。由于电路板必须由昂贵的高频兼容(hochfrequenztauglich)的材料组成，这会导致成本增加。

发明内容

本发明的任务是提出一种天线装置，该天线装置能够实现方位角的以及仰角的高角度分辨率，并且仍然能够安置在紧凑的电路板上。

根据本发明，该任务通过以下方式来解决：发送天线的两个阵列布置为与电路板的两个彼此相对置的边缘相邻，接收天线的两个阵列布置为与电路板的其余两个边缘相邻，并且在电路板上在发送天线和接收天线的阵列之间在电路板的中心区域中布置有至少一个高频模块。

在这种布置中，天线阵列的外边沿构成矩形框架，在考虑到天线贴片与电路板的边沿之间的一定的最小距离的情况下，该矩形框架预给定矩形电路板的形状和尺寸。以这种方式，矩形电路板上的可用空间能够最佳地用于在方位角上并且在仰角上具有高孔径的天线装置。在选择各个天线之间的准确间距方面，在此存在很大的结构自由度，使得能够根据所期望的角度分辨率和角度估计的单值性(Eindeutigkeit)来配置天线阵列。

在电路板的中间的区域中剩余的是对于天线阵列不需要的空间。该可用空间用于构成雷达传感器的发送电路和接收电路的一个或多个高频模块。由此进一步优化电路板上的空间利用。

在一种实施方式中，y方向是方位角方向。于是，接收天线可以构成例如沿电路板的上边沿和下边沿延伸两个阵列，而发送天线可以构成沿电路板的侧边沿延伸的两个阵列。在一种实施方式中，发送天线在此可以在z方向上位于接收天线的两个阵列之间的中间空间中。然而在另一实施方式中，发送天线也可以侧向地布置在接收天线阵列的旁边，使得发送天线能够在z方向上充分利用电路板上可用的全部空间。

附图说明

以下基于附图进一步阐述实施例。

附图示出：

图1示出雷达传感器的天线装置和待借助该天线装置定位的对象的示意图；

图2示出类似于图1的图示，用于说明不同的信号传播路径；

图3示出根据图1的天线装置的正视图；

图4示出根据另一实施例的天线装置。

具体实施方式

在图1中示出雷达传感器的天线装置10以及控制和分析处理装置12，该雷达传感器用于测量对象的间距、相对速度和方向角。在此示出单个对象14作为示例。雷达传感器例如安装在机动车(未示出)的前部，并且尤其用于检测车辆的前方区域中的前方行驶的车辆或其他对象。

在此所示的雷达传感器专门构造为用于二维角度估计，在该二维角度估计中对对象14的方位角θ和仰角φ进行估计。在此，仰角φ定义为从雷达传感器的中心至对象14的视线S与(水平的)方位角平面P之间的角度，该平面通过车辆的前向方向x和侧向方向y来展开。方位角θ定义为前向方向x与视线s在方位角平面P上的垂直投影之间的角度。因此，雷达传感器在y方向上(测量方位角)和在z方向上(测量仰角)进行角度分辨。

在此处所示的示例中，天线装置10具有两个阵列AR1、AR2(每个阵列具有八个接收天线RX)和两个阵列AT1、AT2(每个阵列具有四个发送天线TX)，这些阵列构造在矩形电路板16上。电路板的边缘在y和z方向上延伸。

每个阵列的接收天线RX等距地布置在在y方向上延伸的直线上。因此，接收天线构成所谓的ULA(Uniform Linear Array，均匀线性阵列)。在该示例中，发送天线TX与接收天线分离地构造(双基地天线概念)，并且不仅在y方向上而且在z方向上与接收天线错位地布置。

对象14(与图1中的示意图相比，该对象实际上距天线装置10远得多)位于所有发送天线和接收天线的发送束和接收束(Sende-und Empfangskeulen)内，从而由发送天线TX中的任何一个发射的且在对象14处反射的雷达信号能够由接收天线RX中的每个所接收。

作为示例，图2以实线示出从发送天线TX之一至对象14并且从那里返回接收天线RX之一的信号传播路径，并且以虚线示出另一对发送天线和接收天线的信号传播路径。为了简化在此可以假设：雷达信号从发送天线的相位中心(相关的天线群中心的一个点)发出并且延伸至接收天线的相应的相位中心。

在电路板16的中间布置有高频模块18——例如MMIC(单片微波集成电路)，该高频模块具有发送部分20和接收部分22，所述发送部分产生用于发送天线的发送信号，所述接收部分在独立的接收信道中接收来自接收天线RX的信号，并将这些信号向下混频为中频带，并将如此获得的中频信号传递给控制和分析处理装置12。在那里，在一个测量周期上以确定的采样率对信号进行记录和数字化。以这种方式获得数字化的接收信号，然后在处理器24中对该数字化的接收信号进行进一步分析处理。处理器24还控制高频模块18，并且尤其确定发送天线TX中的哪个在何时进行发送。

由于发送天线和接收天线的错位，对于发送天线和接收天线的每个配对，信号传播路径(在图2中仅示例性地示出这些信号传播路径中的两个)具有不同的长度。尽管由于天线装置10与对象14之间的大间距而一般可以假设雷达波以平面波的形式发射并且还又以平面波的形式被接收，但是信号路径的不同长度导致在四个接收信道中所接收的信号的幅度和相位的表征性的差异。这些差异取决于发送天线和接收天线的配对并且取决于对象14的方位角θ和仰角φ。在处理器24中的数据的数字分析处理中，该效应用于估计对象的方位角和仰角。

在图3中更详细地示出天线装置10。发送天线TX和接收天线RX分别构造为天线群并且在所示的示例中由垂直(在z方向上)延伸的、具有各八个天线元件或贴片26的两个列组成。在发送天线TX中的每个发送天线中以同相的发送信号馈给贴片26，该发送信号由发送部分20提供。在此，通过贴片26的列状布置实现所发射的雷达辐射的聚束，尤其在仰角上。在图3中，通过黑色正方形来标记天线群的相位中心28。

在该示例中，接收天线RX同样由贴片26组成，这些贴片具有与发送天线中的贴片相同的布置。在每个单个的接收天线中，通过信号线路(未示出)将由各个贴片26所接收的信号组合成唯一的信号，并且在此来自不同贴片的信号之间的相位关系没有改变。因此，在该示例中，接收天线的接收束具有与发送天线的发射束相同的形状。

发送天线和接收天线的贴片26是正方形的，并且具有λ/4的边缘长度，其中，λ是所发射的雷达波的(平均)波长。每个天线群内的贴片之间的间距在水平方向上和在垂直方向上均为λ/2。每个阵列RA1、RA2的八个接收天线RX以2λ的间距布置，即在y方向上相邻的两个接收天线的相位中心之间的间距为2λ。在z方向上，每个阵列的天线位于相同的高度上。因此，阵列RA1的天线的上边沿至电路板16的上边沿全部具有相同的间距dz1，并且相应地，阵列RA2的天线的下边沿至电路板的下边沿全部具有相同的间距dz2。

发送天线TX的阵列TA1、TA2在z方向上完全位于接收天线的阵列RA1、RA2之间的中间空间内。在每个阵列内，四个发送天线在z方向上彼此错位，并且这四个发送天线构成在y方向上位于相同高度的两对天线。因此，阵列TA1的两个外部天线的左边沿至电路板16的左边沿具有相同的间距dy1。同样地，阵列TA2的两个外部天线的右边沿至电路板的右边沿具有相同的间距dy2。天线彼此间的错位是不同的，但是在y方向上以及在z方向上均分别为λ/2的整数倍。此外，两个阵列TA1和TA2中的错位一致，从而阵列TA2是阵列TA1的经移位的复制(Kopie)。

在第一测量周期中，仅借助两个阵列之一的发送天线TX之一进行发送。如果然后在随后的测量周期中借助另一天线TX2进行发送，则在此出现的情况在波传播方面等同于以下情况：两个发送天线均借助第一天线进行发送但所有接收天线RX以相同的量值并沿相反的方向错位。如果现在依次激活所有八个发送天线TX，如此则获得虚拟接收阵列，该虚拟接收阵列由两个阵列RA1和RA2的彼此错位的八个复制组成。如此，在y方向上并且在z方向上均实现孔径的显著增大，从而得出更简洁的相位差并且因此能够实现更清晰的角度分离。

由于阵列TA1和TA2中的发送天线在y方向上彼此错位并且在z方向上也不同距离地彼此错位，因此虚拟阵列中的天线间距不是完全均匀的。由此，在相应要求方面，针对虚拟阵列的优化获得结构自由度。通常通过虚拟天线之间的更大的间隙实现孔径的增大，而另一方面，通过间隙填充的增加来降低在角度确定中出现多值性的可能性。

在图3中所示的天线装置10中，接收天线的阵列RA1和RA2沿电路板16的上下边缘延伸，而发送天线的阵列TA1和TA2沿电路板的垂直边缘延伸。接收天线的(真实)阵列RA1和RA2因此已经在y方向上具有大的孔径。此外，由于发送天线的阵列TA1和TA2在y方向上彼此之间具有电路板16的宽度所允许的最大间距，使得用于方位角的角度确定的虚拟孔径最大化。由于接收天线的阵列RA1和RA2在z方向上彼此之间具有电路板16的高度所允许的最大间距，并且通过虚拟阵列填充这两个阵列之间的间隙，在给定电路板16尺寸的情况下，也使得用于仰角的角度确定的孔径最大化。

由于将电路板16的内部的剩余自由空间用于高频模块18并且用于至发送天线和接收天线的线路，电路板16上的可用空间得到最佳利用，使得在给定用于电路板16的材料成本的情况下实现最佳性能。

作为另一示例，图4示出略微修改的天线装置10‘，在该天线装置中，发送天线的阵列TA1和TA2(在附图中以虚线包围)在电路板16的整个可用高度上延伸并且侧向地布置在接收天线的阵列RA1和RA2的相反端的旁边。这实现孔径在z方向上的进一步的增大。

Claims (4)

1.一种用于机动车的MIMO雷达传感器，所述MIMO雷达传感器具有在矩形电路板(16)上的天线装置(10；10‘)，所述电路板的边缘定义y方向和z方向，其中，所述天线装置包括由发送天线(TX)组成的至少两个阵列(TA1，TA2)和由接收天线(RX)组成的至少两个阵列(RA1，RA2)，每个阵列内的发送天线(TX)在z方向上彼此错位，而所述发送天线的两个阵列(TA1，TA2)在y方向上彼此错位，每个阵列内的接收天线(RX)在y方向上彼此错位，而所述接收天线的两个阵列(RA1，RA2)在z方向上彼此错位，

其特征在于，所述发送天线的两个阵列(TA1，TA2)布置为与所述电路板(16)的彼此相对置的两个边缘相邻，所述接收天线的两个阵列(RA1，RA2)布置为与所述电路板(16)的其余两个边缘相邻，并且在所述电路板上在所述发送天线的阵列与所述接收天线的阵列之间在所述电路板(16)的中心区域中布置有至少一个高频模块(18)，其中，所述发送天线的两个阵列(TA1，TA2)分别包括至少两个发送天线(TX)，所述至少两个发送天线布置成至所述电路板的相关边缘具有相同的间距(dz1，dz2)，并且所述接收天线的两个阵列(RA1，RA2)分别包括至少两个接收天线(RX)，所述至少两个接收天线布置成至所述电路板的相关边缘具有相同的间距(dy1，dy2)。

2.根据权利要求1所述的雷达传感器，在所述雷达传感器中，所述发送天线的阵列(TA1，TA2)在z方向上仅占据所述接收天线的两个阵列(RA1，RA2)之间的空间。

3.根据权利要求1所述的雷达传感器，在所述雷达传感器中，所述发送天线的阵列(TA1，TA2)在y方向上布置在所述接收天线的阵列(RA1，RA2)的区域之外，并且在z方向上与所述接收天线的阵列(RA1，RA2)重叠。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的雷达传感器，在所述雷达传感器中，所述发送天线的阵列(RA1，RA2)是ULA阵列。