CN112448134A - 具有全景检测的雷达天线组件 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种具有全景检测的雷达天线组件。一种雷达天线组件(10)，适用于安装在车辆(12)顶上作为该车辆(12)的雷达系统(14)的一部分，该雷达天线组件(10)包括水平阵列(30)和垂直阵列(32)。该水平阵列(30)被配置为优选地检测该车辆(12)周围的前方区域(34)和后方区域(36)中的物体。该垂直阵列(32)被配置为优选地检测该车辆(12)周围的左方区域(38)和右方区域(40)中的物体。该水平阵列(30)和该垂直阵列(32)合作以检测围绕该车辆(12)的全景区域(42)中的物体。

Description

具有全景检测的雷达天线组件
本申请是申请号为201510854649.4，题为“具有全景检测的雷达天线组件”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开总地涉及雷达天线组件，并且更具体地涉及具有水平阵列和垂直阵列的组件，该水平阵列和垂直阵列合作以在车辆周围的360°全景区域中检测物体。
背景技术
具有全景视场(即具有三百六十度(360°)的覆盖)的车辆雷达系统被期望用于多种车辆功能，诸如自动驾驶和用于碰撞警告的物体检测。建议的系统使用六个雷达单元，在车辆的四个角中的每个处有一个单元，第五个单元导向车辆的前方，而第六个单元导向车辆的后方。这种配置非常昂贵，且使来自六个单元的六个信号的整合/融合困难且复杂。
发明内容
本文中描述的是一种天线组件，配置为从安装在车辆顶上的单个、小占地面积(footprint)封装内提供全景视场(即，360度覆盖)，例如参见图1与2。相对现有技术的优点包括该天线组件包含单个外壳内的两个天线阵列而不是如先前尝试提供全景覆盖的情况的分布在车辆上的不同位置的六个雷达单元。该天线组件被容纳在相对较小外形、小占地面积的外壳中，该外壳类似于用于接收卫星无线电信号的车辆娱乐系统所通常使用的“鲨鱼鳍”形状的天线。该天线组件有利地采用雷达信号的垂直偏振，如此雷达信号可在车辆的边缘周围弯曲从而当物体位于由车辆组件的车顶轮廓线所限制或确定的来自天线的视线下面时，可检测这些物体。
根据一个实施例，提供了一种适于安装在车辆顶上作为该车辆的雷达系统的一部分的雷达天线组件。该组件包括水平阵列和垂直阵列。该水平阵列被配置为优选地检测车辆周围的前方区域和后方区域中的物体。该垂直阵列被配置为优选地检测车辆周围的左方区域和右方区域中的物体。该水平阵列和垂直阵列合作以检测围绕车辆的全景区域中的物体。
在阅读优选实施例的下列详细描述后，进一步的特征和优势将更清楚地呈现出，这些优选实施例仅作为非限定性的示例且结合附图而给出。
附图说明
现在将参考附图借助示例来描述本发明，在附图中：
图1是根据一个实施例的配备有包含天线组件的雷达系统的车辆的侧视图；
图2是根据一个实施例的图1的天线组件的特写等距视图；
图3是根据一个实施例的存在于图1的天线组件中的天线阵列的等距视图；
图4是根据一个实施例的图1的天线组件所提供的全景覆盖区域的俯视图；
图5A和5B是根据一个实施例的存在于图1的天线组件中的水平阵列的等距视图；
图6是根据一个实施例的图5A的特写图；
图7是根据一个实施例的存在于图1的天线组件中的垂直阵列的等距视图；以及
图8是根据一个实施例的图7的特写图。
具体实施方式
图1示出了雷达天线组件(下文中的组件10)的非限制性示例。组件10被有利地配置为适于安装在车辆12顶上作为车辆12的雷达系统14的一部分。如将在下文更加详细地描述，组件10提供车辆12周围的全景雷达覆盖，并且能够从组件10在车辆上的车顶安装位置这样做。尽管未具体示出，本领域技术人员将认识到雷达系统14可包括与组件10连接的一个或多个雷达收发器，以及控制器，该控制器被配置为操作该雷达收发器以发射雷达信号16并检测例如由在车辆12后面移动的跟随或尾随车辆(未示出)所反射的反射信号18。作为示例而非限制，本文中描述的组件10的多种特征的示例尺寸是基于具有76.5GHz的振荡频率的雷达信号16来选择的。
图2进一步示出组件10的非限制性细节，该组件10可包括具有车辆的卫星广播接收领域人员所熟悉的鲨鱼鳍形状的外壳20。出于简化对本文呈现的组件10的描述的目的，且不意在给予任何特定限制，多个示图定义了若干轴，所以可容易地理解相对于组件10和车辆12的方向。这些轴包括：纵轴22，被定义为基本上对应于相对于车辆12的向前方向和向后方向；横轴24，被定义为基本上对应于相对于车辆12的向左方向和向右方向；以及垂直轴26，被定义为基本上对应于相对于车辆12的向上方向和向下方向。如本文中所使用的，使用术语“基本上对应”以考虑到与安装了组件10的车辆的表面(例如车辆12的车顶)对齐或垂直的方向或轴和与重力方向(通常垂直于地球的表面)对齐或垂直的方向或轴之间的差异。即，由于组件10所安装在的车辆12的倾斜车顶，本文中描述的多个轴可能不与地球完美对齐。
图3进一步示出移除了外壳20和其他机械固定物的组件10的非限制性细节，如将被本领域人员认识到的。如此处所示，组件10包括水平阵列30和垂直阵列32。水平阵列30通常被配置为优选地检测相对于车辆周围的前方区域34(图4)和后方区域36中的物体。垂直阵列32通常被配置为优选地检测相对于车辆12或车辆12周围的左方区域38和右方区域40中的物体。水平阵列30和垂直阵列32通常还被配置为彼此合作以检测围绕车辆12的全景区域42中的物体。从车辆12到多个区域(34、36、38、40)的边界的变化距离是从车辆12或组件10可能检测到特定测试物体的相对范围的指示。如应该认识到，组件10或雷达系统14的视场作为全景或覆盖360°的表征不意味着灵敏度在每个方向上必须一致，而是不存在灵敏度基本上为零的方向。即，不存在相对接近车辆12的物体可“躲避”雷达系统14的方向。
与图3结合的图5A、5B和6进一步示出组件10的非限制性细节，尤其是水平阵列30的细节。水平阵列30包括水平基板44，其取向成基本上垂直于垂直轴26。如本文中所使用的，与仅仅“垂直”或“精确垂直”于垂直轴26相反，术语“基本上垂直”的使用是考虑到将组件10倾斜到并由此将水平阵列30倾斜到不同于完美水平面(即精确垂直于垂直轴)的某一取向的车辆12的车顶角(roof angle)。认识到，极限的车顶角(从水平面向上大于三十度角(30°角)的车顶角)可导致检测车辆12前方的物体的问题。然而，如将在下文更加详细地解释，由水平阵列30发射的雷达信号16(图1)可被有利地偏振化以具有垂直偏振从而使得在向前方向上发射的雷达信号将往往跟随由车辆12的车顶提供的水平面，并且在车顶的边缘周围和车辆的前方边缘周围散射以更好地检测在来自组件的可视视线以下的物体，这些物体可能被车辆12的主体(例如机盖(hood))限制在底部。
水平阵列30包括或限定一个或多个天线元件，在下文中被单独称为定向(directive)元件46。在此非限制性示例中，图3示出布置在水平基板44上的六个定向元件46，而图5和6更详细地示出该六个中的一个。适于本文中描述的应用的水平基板具有122毫米(mm)的长度、40mm的宽度，并且由可从泰康利先进电介质部门(Taconic AdvancedDielectric Division)获得的具有0.76mm的厚度的TLP-5形成。
通常，取向定向元件46以使得在基本上平行于纵轴22的方向上测量该定向元件46的定向长度48。作为示例而非限制，定向长度48的适当值为112mm。如前，使用短语基本上平行于纵轴以考虑到由于车顶角而不与特定轴精确对齐的方向或角度，邻近于该车顶角，组件10被安装到车辆12的车顶上。
本文中描述的定向元件46可被表征为具有与单片微波集成电路(MMIC 72)电连接的微带70的基板集成波导(SIW)缝隙阵(slot array)，并且有时也可被称为端射天线。MMIC72可包括前述雷达收发器，并且可通过引线接合连接至微带70，如将被本领域人员认识到的。当电磁能被供给到此类型的天线的一端中时，沿着该天线的长度引导辐射，这创建了在相同方向上传播的波束。可从与所示的相反的端供给这种天线以在相反的方向上发射波束。注意到，可同时生成向前波束和向后波束，如此可同时执行向前和向后检测。注意到，由于水平阵列30被配置为发射垂直偏振的雷达信号，从而该水平阵列30也优选地检测垂直偏振的反射信号。
继续参见图5A和5B，定向元件46包括在基本上平行于纵轴22的纵向方向上排列的多个定向缝隙(slot)50，其中与纵轴的任何偏差主要是由于车辆12的车顶角。对于此非限制性示例，定向元件46的缝隙的适当数量将包括七十三个缝隙。通过在平行于横轴24的横向方向上测量的横向长度来表征多个定向缝隙50中的每个。多个定向缝隙50包括第一横向缝隙52，其位于邻近定向元件46的第一端54，而该第一横向缝隙52的横向长度由第一横向值56(例如0.466mm)来表征。
多个定向缝隙50还包括中间横向缝隙60，其位于邻近定向元件46的中点58，而该中间横向缝隙60的横向长度由中间横向值62(例如1.07mm)来表征。代替使所有的缝隙形成为具有相同的横向长度，可有利地配置多个定向缝隙50以使得该多个定向缝隙50的横向长度从第一横向值56渐进变化到中间横向值62。如在此非限制性示例中所示，该第一横向值56可有利地小于中间横向值62。
多个定向缝隙50还可包括末尾横向缝隙64，其位于邻近定向元件46的与第一端54相反的第二端66。类似第一横向缝隙52，末尾横向缝隙64的横向长度可由末尾横向值68来表征，该末尾横向值68可等于第一横向值56。如图所示，多个定向缝隙50的横向长度也可从末尾横向值68渐进变化到中间横向值62，其中末尾横向值68可小于中间横向值62。如图所示，通道防护栏76被用于在平行于横向轴24的方向上限定SIW宽度。SIW宽度变化以在第一端54和第二端66处较宽，而朝向定向元件46的中点58逐渐变窄。使SIW宽度和多个定向缝隙50的横向长度沿着定向元件46变化的优点是形成了“锥形(taper)”，藉此改进了由定向元件46所发射的雷达信号16的旁瓣(side-lobe)特性。
结合图3的图7和图8进一步示出组件10的非限制性细节，尤其是垂直阵列32的细节。垂直阵列32包括取向成垂直于横轴24的垂直基板80。垂直阵列32包括或限定一个或多个天线元件，该一个或多个天线元件合作以在水平面(垂直于垂直轴)中产生扇形波束，下文被单独称为扇元件82。取向扇元件82以使得在基本上平行于垂直轴26的垂直方向上测量扇元件的扇长度84。在此非限制性示例中，图3示出布置在扇元件82的每一侧或相反侧上的四个扇元件82，总共八个扇元件82在垂直阵列32上。图7示出在垂直阵列32的一侧上的四个扇元件82，而图8更详细地示出一个扇元件82。适于本文中描述的应用的垂直基板80具有40mm的长度、30mm的宽度，并且由可从Rogers公司得到的具有0.508mm的厚度的RO4835形成。
通常，取向扇元件82以使得在基本上平行于垂直轴26的方向上测量扇元件82的扇长度84。作为示例而非限制，扇元件82的适当值为38.0mm。如前，使用短语“基本上平行”于垂直轴以考虑到由于车顶角而不与特定轴精确对齐的方向或角度，邻近于该车顶角，组件10被安装到车辆12的车顶上。
在此非限制性示例中，扇元件82也是与定向元件46类似的SIW缝隙阵列类型元件。然而，相对于扇长度84被测量的方向以四十五度(45°)角取向多个扇缝隙86。扇缝隙的数量的适当值为三十二。扇元件包括多个扇缝隙，由角位移相对于纵轴的取向角88表征每个扇缝隙。此混合的或基本上不平行的取向允许在横向方向上的宽视场和车顶轮廓线以下的检测。即，取向角88可被选择为接近于水平的以提供接近垂直偏振的雷达信号以用于归因于散射的更好的俯视特性，或被选择为接近于垂直的以向左方区域38(图4)和右方区域40提供较宽的、更均匀的横向雷达覆盖。端部馈电允许与收发器芯片的容易连接。应该认识到，组件10的多发送和多接收性质允许数字波束形成。出于较好匹配的目的，扇缝隙被成对分组且每对间隔四分之一波导(guided)波长，而每对之间的间隔为一个波导波长以用于瞄准线(boresight)辐射。扇缝隙的长度/宽度也为锥形以用于低旁瓣。
因此，垂直阵列32被配置为发射角偏振雷达信号且优选地检测角偏振的反射信号。作为俯视能力和视场宽度之间的折衷，可相对于垂直轴26使角偏振雷达信号以四十五度角(45°角)偏振。如此，取向角88为四十五度角(45°角)。用于两侧覆盖的扇形波束天线被建立在单个基板上。这种创新配置允许节约成本和空间以及最小的天线-天线相互作用。
因此，提供了一种雷达天线组件(组件10)。该组件10是紧凑的且可被封装在小外形和小占地面积的外壳中。该组件10可被安装在与目前用于汽车卫星无线电的鲨鱼鳍天线的封装类似的封装中。该组件10适用于需要整个360°覆盖的自主驾驶应用。认识到，以上所述的定向元件46和扇元件82可以是其他类型的辐射元件，例如单极天线或贴片(patch)类型配置。
尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在如此限制，而是仅受所附权利要求书中给出的范围限制。

Claims (10)

1.一种雷达天线组件(10)，所述雷达天线组件(10)被配置成用于检测所述雷达天线组件(10)周围的物体，所述雷达天线组件(10)包括：
水平阵列(30)，所述水平阵列(30)被配置成用于检测所述雷达天线组件(10)周围的前方区域(34)和后方区域(36)中的物体；
垂直阵列(32)，所述垂直阵列(32)垂直于所述水平阵列(30)并且被配置成用于检测所述雷达天线组件(10)的纵轴(22)的一侧上的左方区域(38)中的和所述雷达天线组件(10)的所述纵轴(22)的另一侧上的右方区域(40)中的物体；以及
定向元件(46)，所述定向元件(46)以所述纵轴(22)取向并且被配置成用于在离所述雷达天线组件(10)周围的所述前方区域(34)最近的所述定向元件(46)的第一端(54)处限定第一横向缝隙(52)，并限定位于所述第一端(54)和离所述雷达天线组件(10)周围的所述后方区域(36)最近的所述定向元件(46)的第二端(66)之间第二横向缝隙(60)。
2.根据权利要求1所述的雷达天线组件(10)，其特征在于，所述水平阵列(30)被配置成用于发射垂直偏振的雷达信号(16)并检测垂直偏振的反射信号(18)。
3.根据权利要求1所述的雷达天线组件(10)，其特征在于，所述第一和第二横向缝隙(52，60)包括多个定向缝隙(50)，所述多个定向缝隙(50)具有从所述第一横向缝隙(52)到所述第二横向缝隙(60)渐进变化的横向长度。
4.根据权利要求3所述的雷达天线组件(10)，其特征在于，所述第一横向缝隙(52)的横向长度小于所述第二横向缝隙(60)的横向长度。
5.根据权利要求1所述的雷达天线组件(10)，其特征在于，所述定向元件(46)被进一步配置成用于在离所述雷达天线组件(10)周围的所述后方区域(36)最近的所述定向元件(46)的第二端(66)处限定第三横向缝隙(64)。
6.根据权利要求5所述的雷达天线组件(10)，其特征在于，所述第一、第二和第三横向缝隙(52，60，64)包括多个定向缝隙(50)，所述多个定向缝隙(50)具有从所述第一横向缝隙(52)到所述第三横向缝隙(64)渐进变化的横向长度。
7.根据权利要求6所述的雷达天线组件(10)，其特征在于，所述第一横向缝隙(52)的横向长度小于所述第三横向缝隙(64)的横向长度。
8.根据权利要求6所述的雷达天线组件(10)，其特征在于，所述第二横向缝隙(60)的横向长度小于所述第三横向缝隙(64)的横向长度。
9.根据权利要求1所述的雷达天线组件(10)，其特征在于：
所述雷达组件(10)的横轴(24)垂直于所述纵轴(22)并且在所述左方区域(38)和所述右方区域(40)之间延伸；
所述雷达组件(10)的垂直轴(26)垂直于所述纵轴(22)和所述横轴(24)；
所述水平阵列(30)包括取向成垂直于所述垂直轴(26)的水平基板(44)；并且
所述垂直阵列(32)包括取向成垂直于所述横轴(24)的垂直基板(80)。
10.根据权利要求9所述的雷达天线组件(10)，其特征在于：
所述垂直阵列(32)进一步包括扇元件(82)，所述扇元件(82)以所述垂直轴(26)取向并包括多个扇缝隙(86)，每个扇缝隙(86)以相对于所述纵轴(22)的相应取向角(88)取向；并且
所述垂直阵列(32)被配置成用于以相对于所述垂直轴(26)的偏振角发射角偏振的雷达信号(16)并检测角偏振的反射信号(18)。
CN202011296118.5A 2015-01-05 2015-11-30 具有全景检测的雷达天线组件 Pending CN112448134A (zh)

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