CN114243313A - 一种车载4d毫米波雷达天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载4D毫米波雷达天线阵列，涉及汽车毫米波雷达技术领域，解决了现有技术中存在的水平向和俯仰向的角分辨率低、天线面板尺寸大的技术问题。本发明所设计天线阵列包括12个发射阵元和16个接收阵元，16个接收阵元分成两组，每组8个接收阵元，两组接收阵元分别设置在天线阵列的第一行、第六行；12个发射阵元分成四组，每组发射阵元的数量分别为2个、6个、2个、2个，四组发射阵元分别设置在天线阵列的第二行至第五行。本发明的天线阵列体积小、角分辨率高，具备良好的市场应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及汽车毫米波雷达技术领域，尤其涉及一种车载4D毫米波雷达天线阵列。
背景技术
毫米波雷达目前已经成为汽车的主要传感器之一。毫米波雷达所特有的全天时和全天候工作的优势使其优于车载光学摄像头和激光雷达等传感器，此外相较于激光雷达，其价格也更低廉。车载毫米波雷达以往的角分辨率不高的劣势也因近年来出现的4D毫米波雷达得以妥善解决。4D毫米波雷达的出现解决了传统毫米波雷达水平向角分辨率低，且不具备测高能力的缺点，使毫米波雷达近乎可以达到激光雷达的效果。4D毫米波雷达的出现可以在包括自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）、自动紧急制动(AutomaticEmergency Braking，AEB)、盲区监视(Blind Spot Monitoring，BSD)、变道辅助(LaneChange Assist， LCA)、倒车预警 ( Rear Cross Traffic Alert， RCTA)等诸多辅助驾驶场景中发挥更好的作用，同时也能用应用于更高阶的自动驾驶。4D毫米波雷达是未来汽车无人驾驶领域不可或缺的乃至最重要的传感器。
雷达角分辨率的提高依赖于天线实孔径的增加，但是要能应用于汽车上，雷达的尺寸就不能太大。多发多收( Mutiple Input Mutiple Output，MIMO)模式下的虚拟孔径技术很大程度上解决了雷达角分辨率和尺寸之间的矛盾，而收发天线的排布问题是研制4D毫米波雷达首当其冲需要解决的，且阵列的排布直接决定了产品的尺寸和角分辨率等重要指标。现有技术在有限的天线面板空间内，水平向和俯仰向的角分辨率还比较低，而且尺寸比较大，有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载4D毫米波雷达天线阵列，以解决现有技术中存在的水平向和俯仰向的角分辨率低、天线面板尺寸大的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种车载4D毫米波雷达天线阵列，包括12个发射阵元和16个接收阵元。16个所述接收阵元分成两组，每组8个所述接收阵元，两组所述接收阵元分别设置在所述天线阵列的第一行、第六行；12个所述发射阵元分成四组，每组所述发射阵元的数量分别为2个、6个、2个、2个，四组所述发射阵元分别设置在所述天线阵列的第二行至第五行。
优选的，两行所述接收阵元相距12个波长，每行所述接收阵元两两之间间隔3个波长。
优选的，所述天线阵列的第二行、第四行、第五行的2个所述发射阵元均相距22个波长；所述天线阵列的第三行的6个所述发射阵元平均分成两组，两组所述发射阵元分别对称设置在所述天线阵列第三行的最左边、最右边；第一组中，第一个所述发射阵元与第二所述发射阵元间隔1个波长，第二个所述发射阵元与第三个所述发射阵元间隔0.5个波长；第二组中，第一个所述发射阵元与第二所述发射阵元间隔0.5个波长，第二个所述发射阵元与第三个所述发射阵元间隔1个波长。
优选的，所述天线阵列的第六行与第五行间隔2.5个波长、第五行与第四行间隔4.5个波长、第四行与第三行间隔1.5个波长、第三行与第二行间隔1.5个波长。
优选的，所述发射阵元、接收阵元为微带天线或喇叭天线。
优选的，所述发射阵元、接收阵元的起始工作频率为76GHz，最大带宽为5GHz。
优选的，所述发射阵元、接收阵元的工作模式为时分复用、频分复用或码分复用。
优选的，所述波长为毫米波雷达在可使用频率范围下对应的波长；所述可使用频率范围为76-81GHz。
实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：
本发明提供了一种12发16收4D毫米波雷达天线阵列，在尽可能减小天线阵列空间的前提下在水平向和俯仰向都达到极高的角分辨率，能够广泛应用于汽车领域的辅助驾驶场景中，同时也能应用于更高阶的自动驾驶场景。本天线阵列的体积小、角分辨率高，具备良好的市场应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：
图1是本发明实施例的一种车载4D毫米波雷达天线阵列结构示意图；
图2是本发明实施例的第一行发射阵元分时发射时形成的等效接收阵元示意图；
图3是本发明实施例的所有发射阵元分时发射时形成的等效接收阵元示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是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元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
如图1所示，本发明提供了一种车载4D毫米波雷达天线阵列，包括12个发射阵元和16个接收阵元，12个发射阵元TX1-TX12、16个接收阵元RX1-RX16构成6行8列。具体的，16个接收阵元分成两组，每组8个接收阵元，即RX1-RX8构成一组接收阵元，RX9-RX16构成另一组接收阵元，两组接收阵元分别设置在天线阵列的第一行、第六行。12个发射阵元分成四组，每组发射阵元的数量分别为2个、6个、2个、2个，即TX1、TX2构成一组发射阵元、TX3-TX8构成第二组发射阵元、TX9-TX10构成第三组发射阵元、TX11、TX12构成第四组发射阵元，四组发射阵元分别设置在天线阵列的第二行至第五行。本发明中所有的发射阵元、接收阵元之间相对位置为相互独立的关系，也即所有的发射阵元在保持前述相对位置关系的前提下与接收阵元之间的位置关系无需相互限制而都可达到本发明所设计达到的角分辨率。本发明提供的一种12发16收4D毫米波雷达天线阵列，在尽可能减小天线阵列空间的前提下在水平向和俯仰向都达到极高的角分辨率，能够广泛应用于汽车领域的自适应巡航控制（ACC）、自动紧急制动（AEB）、盲区监视（BSD）、变道辅助（LCA）、倒车预警 （RCTA）等诸多辅助驾驶场景，同时也能适应于更高阶的自动驾驶场景。
进一步地，发射阵元和接收阵元按照天线阵列的行的中轴线AB对称设计，并在天线阵列中间留有充足的空间以备布置相关的射频收发芯片。天线阵列的两行接收阵元相距12个波长，每行接收阵元两两之间间隔3个波长。天线阵列的第二行、第四行、第五行的2个发射阵元均相距22个波长；天线阵列的第三行的6个发射阵元平均分成两组，两组发射阵元分别对称设置在天线阵列第三行的最左边、最右边。其中，第一组中，第一个发射阵元TX3与第二发射阵元TX4间隔1个波长，第二个发射阵元TX4与第三个发射阵元TX5间隔0.5个波长；第二组中，第一个发射阵元TX6与第二发射阵元TX7间隔0.5个波长，第二个发射阵元TX7与第三个发射阵元TX8间隔1个波长。进一步地，从天线阵列的行距来看，天线阵列的第六行与第五行间隔2.5个波长、第五行与第四行间隔4.5个波长、第四行与第三行间隔1.5个波长、第三行与第二行间隔1.5个波长。需说明的是，第5和第6行的间距2.5个波长是可以变化的，如间距范围不大于4.5个波长。
优选的，本实施例的MIMO雷达，其发射阵元、接收阵元为微带天线或喇叭天线。发射阵元、接收阵元的起始工作频率为76GHz，最大带宽为5GHz。发射阵元、接收阵元的工作模式为时分复用(TDM)；或者是频分复用 (FDM)或者是码分复用 (CDM)。当然，通过在接收端对信号的分解都能达到多发多收产生虚拟孔径的效果的发射方法，本发明所设计的天线阵列都可以适用。需说明的是，本实施中的波长为汽车毫米波雷达行业标准所规定的毫米波雷达可使用频率范围下对应的任一波长。其中，可使用频率范围为76-81GHz。
如图2-3所示，一种具体的实施方案为：本实施例以时分复用（即各发射阵元分时发射，所有的接收阵元同时接收）的MIMO雷达为例，对虚拟孔径的产生做说明。当天线阵列第一行的两个发射阵元TX1、TX2（本实施例可以为微带天线或喇叭天线）分时发射，16个接收天线同时接收时，可以产生附图2所示的虚拟孔径效果。接收阵元之间的相对位置并不会发生改变，发射阵元发射会产生上下对称的两组共16个接收阵元，其上下间距为12个波长，水平方向相邻两个接收阵元之间间隔3个波长。因为第一行的两发射阵元之间间隔22个波长，于是右边的发射阵元其产生的16个接收阵元的第一列与左边的发射阵元产生的16个接收阵元的最后一列将相差（22λ-3λ×7 = 1λ），即 1个波长的间隔。同理，发射阵元中的所有发射天线都分时发射时，其产生的整个虚拟阵列的效果如附图3所示。其中第二行和第六行正中间的4个以圆形标识的阵元所在位置产生了重合。12个发射阵元16个接收阵元理论可以产生的总的虚拟阵元个数为：12×16 = 192个，减去4个重叠的阵元，于是有非重叠的188个虚拟阵元。这些非重叠的虚拟阵元构成的虚拟孔径在水平向为43个波长，俯仰向为19.5个波长。注意到产生的虚拟阵列水平和俯仰向都是非均匀的。以水平向第二行为例，相邻阵元间距有0.5个波长、1个波长和1.5个波长（3λ-0.5λ-1λ=1.5λ），合计46个虚拟阵元组成了虚拟孔径为43个波长的非均匀线阵，可以使用内插阵列变换的基本思想将该非均匀线阵变换为间隔为0.5个波长的87阵元均匀线阵，使用FFT的方法进行DOA估计。由角分辨率计算公式：
θres=λ/(N*d*cos(θ)) （1）；
其中，N为阵元数，d为相邻两阵元间隔。
以目标位于雷达正前方(此时θ=0)计算角分辨率，可以得到水平向43个波长下的水平向角分辨率为θres=2/87(弧度)，转换成角度约为1.32°；同理，俯仰向19.5个波长可产生的角分辨率约为：2.86°。需说明的是，以上计算都是基于全向天线的假设，实际应用中天线加权后其波束会更窄，所获得的实际角分辨率会优于前述理论计算值。
综上所述，本实施例所设计的4D毫米波雷达收发阵列（天线阵列），若以76 GHz来计算波长，以收发阵列所占水平向22个波长合8.68 cm，俯仰向12个波长合4.74 cm的尺寸下（不考虑天线的尺寸），通过MIMO的方式可产生水平向43个波长，俯仰向19.5个波长的虚拟孔径的效果。其产生的水平向和俯仰向的理论角分辨率分别可达1.32°和2.86°。因而，在尽可能减小天线阵列空间的前提下在水平向和俯仰向都达到了极高的角分辨率，本天线阵列的体积小、角分辨率高，具备良好的市场应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改（比如在纵向或横向往外增加收发天线的数量）以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种车载4D毫米波雷达天线阵列，其特征在于，包括12个发射阵元和16个接收阵元；
16个所述接收阵元分成两组，每组8个所述接收阵元，两组所述接收阵元分别设置在所述天线阵列的第一行、第六行；
12个所述发射阵元分成四组，每组所述发射阵元的数量分别为2个、6个、2个、2个，四组所述发射阵元分别设置在所述天线阵列的第二行至第五行。
2.根据权利要求1所述的车载4D毫米波雷达天线阵列，其特征在于，两行所述接收阵元相距12个波长，每行所述接收阵元两两之间间隔3个波长。
3.根据权利要求2所述的车载4D毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述天线阵列的第二行、第四行、第五行的2个所述发射阵元均相距22个波长；
所述天线阵列的第三行的6个所述发射阵元平均分成两组，两组所述发射阵元分别对称设置在所述天线阵列第三行的最左边、最右边；第一组中，第一个所述发射阵元与第二所述发射阵元间隔1个波长，第二个所述发射阵元与第三个所述发射阵元间隔0.5个波长；第二组中，第一个所述发射阵元与第二所述发射阵元间隔0.5个波长，第二个所述发射阵元与第三个所述发射阵元间隔1个波长。
4.根据权利要求3所述的车载4D毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述天线阵列的第六行与第五行间隔2.5个波长、第五行与第四行间隔4.5个波长、第四行与第三行间隔1.5个波长、第三行与第二行间隔1.5个波长。
5.根据权利要求4所述的车载4D毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述波长为毫米波雷达在可使用频率范围下对应的波长；
所述可使用频率范围为76-81GHz。
6.根据权利要求1所述的车载4D毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述发射阵元、接收阵元为微带天线或喇叭天线。
7.根据权利要求1所述的车载4D毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述发射阵元、接收阵元的起始工作频率为76GHz，最大带宽为5GHz。
8.根据权利要求1所述的车载4D毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述发射阵元、接收阵元的工作模式为时分复用、频分复用或码分复用。
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