CN113871900B - 一种高角度分辨率的二维mimo阵列天线及其组阵方法 - Google Patents

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Abstract

一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线及其组阵方法属于多输入多输出阵列天线技术领域，解决如何在射频信号处理芯片与天线单元物理尺寸相差较大的情况下设计一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线的问题，本发明的技术方案实现了接收天线阵列、发射天线阵列、接收天线微带传输线、发射天线微带传输线、射频信号处理芯片在单层印刷电路基板的同一表面上集成设计，并且等效虚拟阵列无重叠的虚拟阵元，实现了阵元通道数的最大化使用，节约了通道资源具有很高的系统效率。

Description

一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线及其组阵方法
技术领域
本发明属于多输入多输出阵列天线技术领域，涉及一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线及其组阵方法。
背景技术
多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）雷达是雷达领域中的一种新体制雷达。MIMO雷达在发射端和接收端均采用多天线结构，各个发射天线同时辐射相互正交的信号波形，接收端的每个天线接收所有发射信号并在后端进行信号分选，从而得到多于实际收、发天线通道数的虚拟通道数和自由度。MIMO雷达的出现为汽车雷达、毫米波三维成像雷达技术的快速发展提供了有力的技术支撑。
对于毫米波三维成像雷达系统而言，通常需要在水平方向和俯仰方向都具有较高的角度分辨率，因此阵列的在方位向和俯仰向需要有一定的规模，以确保所设计的成像系统在方位向和俯仰向的角度分辨率。MIMO阵列天线可以通过较少的阵元数等效处较大的虚拟孔径，是毫米波三维成像雷达系统最为常用的天线形式之一。对于MIMO三维成像雷达系统而言，一方面需要在水平方向和俯仰方向都具有较高的角度分辨率，因此MIMO阵列天线的等效孔径在方位向和俯仰向需要有一定的规模，以确保所设计的成像系统在方位向和俯仰向的角度分辨率；另一方面为了保证成像的清晰度，阵列设计时单元间距的大小一般不超过半个波长。MIMO三维成像雷达系统通常的工作频段在W波段（75-110GHz），在该工作频段内整个射频系统能够实现较高的集成度，但是较高的工作频段对应着较小的工作波长，若同时兼顾较小的单元间距与较大的阵列规模对整个MIMO阵列天线的设计与排布带来很大的难度。从设计角度来说，以MIMO三维成像雷达系统的商用芯片为例，一般为3个发射通道4个接收通道，工作频段为77-81GHz，芯片的物理尺寸约10mm×10mm，而工作在77-81GHz频段的天线按半波长单元间距设计物理尺寸约1.9mm，芯片尺寸与天线单元的尺寸相差较大，对整个MIMO阵列天线的设计与排布具有很大的难度；从加工工艺上来说，77GHz频段一般在印刷电路板（PCB）上加工制造，若电路板层数过多加工难度太大从加工工艺上也会很难实现，因此天线的设计考虑在同一块单层PCB上实现最为简单。综上所述，MIMO三维成像雷达系统的天线设计需要综合考虑MIMO阵列的设计布局以及加工工艺的实现难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何在射频信号处理芯片与天线单元物理尺寸相差较大的情况下设计一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线，包括：1组接收天线阵列（11）、2组发射天线阵列（12）、16根接收天线微带传输线（13）、12根发射天线微带传输线（14）、4个射频信号处理芯片（15）和1个印刷电路基板（16）；所述的接收天线阵列（11）、发射天线阵列（12）、接收天线微带传输线（13）、发射天线微带传输线（14）全部印刷在印刷电路基板（16）的上表面；每组发射天线阵列（12）与接收天线阵列（11）之间垂直正交排布；所述的接收天线阵列（11）包括16个接收天线单元，16个所述的接收天线单元沿水平方向等间距布置在印刷电路基板（16）的上端，每个接收天线单元之间的水平间距为Rd；2组发射天线阵列（12）齐平布置在印刷电路基板（16）的下端，2组发射天线阵列（12）之间的水平间距为16Rd，2组发射天线阵列（12）的排列结构完全相同，每组所述的发射天线阵列（12）均包括6个发射天线单元，6个发射天线单元沿着垂直方向等间距交错排列，相邻发射天线单元之间在垂直方向上的间距均为Td，每个发射天线单元在水平方向上的奇数行与偶数行的错开排布，错开排布的间距为Rd；4个所述的射频信号处理芯片（15）从左至右表贴在印刷电路基板（16）的上表面中部，第一个与第四个射频信号处理芯片（15）处在同一水平线上，第二个与第三个射频信号处理芯片（15）处在同一水平线上，第一个射频信号处理芯片（15）在垂直方向上的位置高于第三个射频信号处理芯片（15）；每个所述的射频信号处理芯片（15）均包括3个发射通道与4个接收通道，16个接收通道从左至右通过16根接收天线微带传输线（13）依次与接收天线阵列（11）的16个接收天线单元一一对应连接；第一个射频信号处理芯片（15）的3个发射通道与第一组发射天线阵列（12）奇数行发射天线单元发射天线微带传输线（14）一一对应连接，第二个射频信号处理芯片（15）的3个发射通道与第一组发射天线阵列（12）偶数行发射天线单元发射天线微带传输线（14）一一对应连接，第三个射频信号处理芯片（15）的3个发射通道与第二组发射天线阵列（12）奇数行发射天线单元发射天线微带传输线（14）一一对应连接，第四个射频信号处理芯片（15）的3个发射通道与第二组发射天线阵列（12）偶数行发射天线单元发射天线微带传输线（14）一一对应连接；每根接收天线微带传输线（13）的物理长度均相等，每根发射天线微带传输线（14）的物理长度均相等。
本发明的高角度分辨率的二维MIMO阵列天线在射频信号处理芯片与天线单元物理尺寸相差较大的情况下，实现了接收天线阵列、发射天线阵列、接收天线微带传输线、发射天线微带传输线、射频信号处理芯片在单层印刷电路基板的同一表面上集成设计，并且等效虚拟阵列无重叠的虚拟阵元，可以实现阵元通道数的最大化使用，节约了通道资源具有很高的系统效率。
作为本发明技术方案的进一步改进，Rd的值为0.5λ0，Td的值为0.5λ0，其中λ0表示中心频率的工作波长。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的接收天线单元和发射天线单元为微带贴片天线、串馈的微带贴片天线、偶极子天线、平面倒F贴片天线、缝隙天线、介质层压波导腔体天线中的任意一种。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的印刷电路基板（16）为单层覆铜介质基板。
一种基于所述的高角度分辨率的二维MIMO阵列天线的组阵方法，当第一组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元发射信号，接收天线阵列（11）的16个接收天线单元均接收信号，等效得到第一组沿水平方向等间距排布的虚拟阵元（17），数量为16个；当第二组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元发射信号，接收天线阵列（11）的16个接收天线单元均接收信号，等效得到第二组沿水平方向等间距排布的虚拟阵元（17），数量为16个；由于两组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元水平方向的间距为16Rd垂直方向无高度差，因此接收天线阵列（11）与第一组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元以及第二组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元等效得到的两组虚拟阵元（17）组成虚拟阵列天线中的第1行虚拟阵元（17），第1行虚拟阵元（17）沿水平方向等间距排，总数量为32个；以此类推，接收天线阵列（11）与发射天线阵列（12）等效得到6行沿水平方向等间距排布的虚拟阵元（17），每行总数量均为32个；每组发射天线阵列（12）的发射天线单元在水平方向的奇数行与偶数行错开排布，等效得到的6行虚拟阵元（17）也是奇数行与偶数行沿水平方向错开。
本发明的优点在于：
（1）本发明的高角度分辨率的二维MIMO阵列天线由接收天线阵列、发射天线阵列、接收天线微带传输线、发射天线微带传输线、射频信号处理芯片和印刷电路基板组成，接收天线阵列和发射天线阵列垂直正交排布，并通过合理的布局实现了一个虚拟阵元位置无重叠的二维的等效虚拟阵列；在射频信号处理芯片与天线单元物理尺寸相差较大的情况下，实现了接收天线阵列、发射天线阵列、接收天线微带传输线、发射天线微带传输线、射频信号处理芯片在单层印刷电路基板的同一表面上集成设计，并且等效虚拟阵列无重叠的虚拟阵元，可以实现阵元通道数的最大化使用，节约了通道资源具有很高的系统效率；
（2）发射天线单元错开排布使得发射天线之间的相对位置拉开了，增加了发射天线单元之间的隔离度，减小了天线单元之间的互耦对MIMO天线系统的性能的影响；
（3）本发明的技术方案采用的每根接收天线微带传输线（13）的物理长度均相等，每根发射天线微带传输线（14）的物理长度均相等的目的是实现发射信号之间、以及接收信号之间相同的时延和相同的传输损耗，从而可以等效得到一个等幅同相的虚拟阵列。
附图说明
图1是本发明实施例一的二维多输入多输出阵列天线整体布局示意图；
图2是本发明实施例一的二维多输入多输出阵列天线等效的虚拟阵列天线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线，包括：1组接收天线阵列11、2组发射天线阵列12、16根接收天线微带传输线13、12根发射天线微带传输线14、4个射频信号处理芯片15和1个印刷电路基板16；所述的接收天线阵列11、发射天线阵列12、接收天线微带传输线13、发射天线微带传输线14全部印刷在印刷电路基板16的上表面；每组发射天线阵列12与接收天线阵列11之间垂直正交排布；所述的接收天线阵列11包括16个接收天线单元，16个所述的接收天线单元沿水平方向等间距布置在印刷电路基板16的上端，每个接收天线单元之间的水平间距为Rd；2组发射天线阵列12齐平布置在印刷电路基板16的下端，2组发射天线阵列12之间的水平间距为16Rd，2组发射天线阵列12的排列结构完全相同，每组所述的发射天线阵列12均包括6个发射天线单元，6个发射天线单元沿着垂直方向等间距交错排列，相邻发射天线单元之间在垂直方向上的间距均为Td，每个发射天线单元在水平方向上的奇数行与偶数行的错开排布，错开排布的间距为Rd；4个所述的射频信号处理芯片15从左至右表贴在印刷电路基板16的上表面中部，第一个与第四个射频信号处理芯片15处在同一水平线上，第二个与第三个射频信号处理芯片15处在同一水平线上，第一个射频信号处理芯片15在垂直方向上的位置高于第三个射频信号处理芯片15；每个所述的射频信号处理芯片15均包括3个发射通道与4个接收通道，16个接收通道从左至右通过16根接收天线微带传输线13依次与接收天线阵列11的16个接收天线单元一一对应连接；第一个射频信号处理芯片15的3个发射通道与第一组发射天线阵列12奇数行发射天线单元发射天线微带传输线14一一对应连接，第二个射频信号处理芯片15的3个发射通道与第一组发射天线阵列12偶数行发射天线单元发射天线微带传输线14一一对应连接，第三个射频信号处理芯片15的3个发射通道与第二组发射天线阵列12奇数行发射天线单元发射天线微带传输线14一一对应连接，第四个射频信号处理芯片15的3个发射通道与第二组发射天线阵列12偶数行发射天线单元发射天线微带传输线14一一对应连接；每根接收天线微带传输线13的物理长度均相等，每根发射天线微带传输线14的物理长度均相等；所述的接收天线单元和发射天线单元为微带贴片天线、串馈的微带贴片天线、偶极子天线、平面倒F贴片天线、缝隙天线、介质层压波导腔体天线中的任意一种；所述的印刷电路基板16为单层覆铜介质基板。所述的接收天线微带传输线和发射天线微带传输线印刷在印刷电路基板的上表面，相互之间无交叉重叠。
所述的接收天线阵列11和发射天线阵列12的中心工作频率为79GHz，工作频段为77-81GHz，接收天线阵列11包含16个沿水平方向等间距排布的接收天线单元，单元之间的间距Rd为0.5λ0，具体取值大小为1.9mm；发射天线阵列12包含两组发射天线单元，两组发射天线单元的数量均为6个且排布方式完全相同，每组6个发射天线单元在垂直方向上的间距均为Td，具体取值大小为1.9mm；为了进一步提高发射天线单元之间的隔离度，每组6个发射天线单元在水平方向上奇数行（第1、3、5行）与偶数行（第2、4、6行）的发射天线单元错开排布，错开排布的间距等于接收天线单元之间的间距Rd，具体取值大小为1.9mm；所述的发射天线阵列的两组发射天线单元之间的间距为16×Rd=30.4mm。所述的射频信号处理芯片15用于射频信号的发射与接收，射频信号处理芯片15的总数量为4个，每个包含3个发射通道与4个接收通道，总共12个发射通道与16个接收通道，与发射天线阵列12、接收天线阵列11的单元数相对应；射频信号处理芯片15的物理尺寸大小为10mm×10mm，远远大于接收天线单元和发射天线单元的物理尺寸，使得单层印刷电路基板的同一表面上集成接收天线阵列、发射天线阵列、接收天线微带传输线、发射天线微带传输线、射频信号处理芯片的难度大大增加。接收天线微带传输线13总共16根，分别连接接收天线阵列11的16个接收天线单元的馈电端口和射频信号处理芯片15的16个接收端口，16根接收天线微带传输线13的物理长度完全相等，具体取值大小为58mm；发射天线微带传输线14总共12根，分别连接发射天线阵列12的12个发射天线单元的馈电端口和射频信号处理芯片15的12个发射端口，12根接发射天线微带传输线14的物理长度完全相等，具体取值大小为63mm。
二维MIMO阵列天线等效的虚拟阵列天线原理如下：根据本实施例中的接收天线阵列11和发射天线阵列12的天线单元排布方式，当发射天线阵列12的第一组第一个发射天线单元发射信号，接收天线阵列11的16个接收天线单元均接收信号，可以等效得到第一组沿水平方向等间距排布的虚拟阵元17，数量为16个；进一步的，当第二组第一个发射天线单元发射信号，接收天线阵列11的16个接收天线单元均接收信号，可以等效得到第二组沿水平方向等间距排布的虚拟阵元17，数量为16个；两组发射天线单元水平方向的间距为16×Rd=30.4mm，垂直方向无高度差，因此接收天线阵列11与第一组第一个发射天线单元和第二组第一个发射天线单元等效得到的两组虚拟阵元17可以组成虚拟阵列天线中的第1行虚拟阵元17，沿水平方向等间距排，总数量为32个。以此类推，接收天线阵列11与发射天线阵列12可以等效得到6行沿水平方向等间距排布的虚拟阵元17，每行总数量均为32个。发射天线阵列12的发射天线单元在水平方向奇数行（第1、3、5行）与偶数行（第2、4、6行）错开排布，等效得到的6行虚拟阵元17也是奇数行（第1、3、5行）与偶数行（第2、4、6行）沿水平方向错开。最终的等效虚拟阵列如图2所示，阵列规模为32×6，对应的水平方向的虚拟阵元17数为32个，尺寸大小为32×Rd=60.8mm，水平方向的角度分辨率为3.17°；对应的垂直方向的虚拟阵元17数为6个，尺寸大小为6×Td=11.4mm，垂直方向的角度分辨率为16.91°；水平和垂直方向均具有较高的角度分辨率。本实施例中，192个虚拟阵元17位置无重叠，实现了虚拟阵元的百分百利用，大大提高了系统的使用效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线，其特征在于，包括：1组接收天线阵列（11）、2组发射天线阵列（12）、16根接收天线微带传输线（13）、12根发射天线微带传输线（14）、4个射频信号处理芯片（15）和1个印刷电路基板（16）；所述的接收天线阵列（11）、发射天线阵列（12）、接收天线微带传输线（13）、发射天线微带传输线（14）全部印刷在印刷电路基板（16）的上表面；每组发射天线阵列（12）与接收天线阵列（11）之间垂直正交排布；所述的接收天线阵列（11）包括16个接收天线单元，16个所述的接收天线单元沿水平方向等间距布置在印刷电路基板（16）的上端，每个接收天线单元之间的水平间距为Rd；2组发射天线阵列（12）齐平布置在印刷电路基板（16）的下端，2组发射天线阵列（12）之间的水平间距为16Rd，2组发射天线阵列（12）的排列结构完全相同，每组所述的发射天线阵列（12）均包括6个发射天线单元，6个发射天线单元沿着垂直方向等间距交错排列，相邻发射天线单元之间在垂直方向上的间距均为Td，每个发射天线单元在水平方向上的奇数行与偶数行的错开排布，错开排布的间距为Rd；4个所述的射频信号处理芯片（15）从左至右表贴在印刷电路基板（16）的上表面中部，第一个与第四个射频信号处理芯片（15）处在同一水平线上，第二个与第三个射频信号处理芯片（15）处在同一水平线上，第一个射频信号处理芯片（15）在垂直方向上的位置高于第三个射频信号处理芯片（15）；每个所述的射频信号处理芯片（15）均包括3个发射通道与4个接收通道，16个接收通道从左至右通过16根接收天线微带传输线（13）依次与接收天线阵列（11）的16个接收天线单元一一对应连接；第一个射频信号处理芯片（15）的3个发射通道与第一组发射天线阵列（12）奇数行发射天线单元发射天线微带传输线（14）一一对应连接，第二个射频信号处理芯片（15）的3个发射通道与第一组发射天线阵列（12）偶数行发射天线单元发射天线微带传输线（14）一一对应连接，第三个射频信号处理芯片（15）的3个发射通道与第二组发射天线阵列（12）奇数行发射天线单元发射天线微带传输线（14）一一对应连接，第四个射频信号处理芯片（15）的3个发射通道与第二组发射天线阵列（12）偶数行发射天线单元发射天线微带传输线（14）一一对应连接；每根接收天线微带传输线（13）的物理长度均相等，每根发射天线微带传输线（14）的物理长度均相等。
2.根据权利要求1所述的一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线，其特征在于，Rd的值为0.5λ0，Td的值为0.5λ0，其中λ0表示中心频率的工作波长。
3.根据权利要求1所述的一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线，其特征在于，所述的接收天线单元和发射天线单元为微带贴片天线、串馈的微带贴片天线、偶极子天线、平面倒F贴片天线、缝隙天线、介质层压波导腔体天线中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种高角度分辨率的二维MIMO阵列天线，其特征在于，所述的印刷电路基板（16）为单层覆铜介质基板。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的高角度分辨率的二维MIMO阵列天线的组阵方法，其特征在于，当第一组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元发射信号，接收天线阵列（11）的16个接收天线单元均接收信号，等效得到第一组沿水平方向等间距排布的虚拟阵元（17），数量为16个；当第二组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元发射信号，接收天线阵列（11）的16个接收天线单元均接收信号，等效得到第二组沿水平方向等间距排布的虚拟阵元（17），数量为16个；由于两组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元水平方向的间距为16Rd垂直方向无高度差，因此接收天线阵列（11）与第一组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元以及第二组发射天线阵列（12）的第一个发射天线单元等效得到的两组虚拟阵元（17）组成虚拟阵列天线中的第1行虚拟阵元（17），第1行虚拟阵元（17）沿水平方向等间距排，总数量为32个；以此类推，接收天线阵列（11）与发射天线阵列（12）等效得到6行沿水平方向等间距排布的虚拟阵元（17），每行总数量均为32个；每组发射天线阵列（12）的发射天线单元在水平方向的奇数行与偶数行错开排布，等效得到的6行虚拟阵元（17）也是奇数行与偶数行沿水平方向错开。
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