CN114267954A

CN114267954A - 一种基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线

Info

Publication number: CN114267954A
Application number: CN202111561352.0A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 张金平; 邓晔; 胡啸; 马天野
Original assignee: CETC 14 Research Institute
Current assignee: CETC 14 Research Institute
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-01

Abstract

近几年来，随着固态微波器件和微波集成电路的快速发展，毫米波检测和成像技术的应用需求日益迫切，特别是在自动驾驶、交通安检等领域。根据应用需求，W波段毫米波成像系统需要具备对待测目标高精度成像的能力。为了实现这个目的，这类系统需要配备数十个波长见方的的阵列孔径，从而满足系统所要求的窄波束。这会使得毫米波成像系统通道数众多，从而使得系统复杂度和硬成本均显著提高，同时对器件集成度以及封装工艺水平也有着更高的要求。本发明的阵列天线基于MIMO阵列的设计理念，利用有限的实体阵元产生规模极大的虚拟阵元，虚/实阵元的结合可以在显著减少天线单元和阵列通道数的同时保持同等指标的阵列方向图，该阵列天线使得毫米波成像系统具有大阵列孔径、窄波束宽度和高分辨精度，同时系统的硬件规模和整机成本均能得到有效的控制，在毫米波高精度成像系统中具有重要应用价值。

Description

一种基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线

技术领域

本发明属于天线与微波领域，具体涉及一种基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线。

背景技术

近几年来，随着固态微波器件和微波集成电路的快速发展，毫米波检测和成像技术的应用需求日益迫切，特别是在自动驾驶、交通安检等领域。其中，工作于W波段的毫米波成像系统由于短波长和大带宽等因素具有重要应用前景。根据应用需求，W波段毫米波成像系统需要具备对待测目标高精度成像的能力。为了实现这个目的，这类系统需要配备数十个波长见方的的阵列孔径，从而满足系统所要求的窄波束。这会使得毫米波成像系统通道数众多，阵列规模可达几千个通道甚至更多，从而使得系统复杂度和硬成本均显著提高，同时对器件集成度以及封装工艺水平也有着更高的要求。作为一种替代方法，基于多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）阵列概念的虚拟阵列方法是一种可行的解决方案。这种设计方法可以在显著减少天线单元和阵列通道数的同时保持同等指标的阵列方向图。在虚拟阵列中，发射波束和接收波束是由收发分置的阵列单独产生。阵列双程方向图可以表达为发射方向图与接收方向图的乘积。收发双程方向图中的栅瓣可以通过调整优化收发阵列孔径构型来抑制。当发射波束的栅瓣与接收波束的零点调整到同一角度时，双程方向图的栅瓣即得到了抑制，反之亦然。

发明内容

W波段毫米波高精度成像系统为了形成窄波束，需要具备很大的阵列孔径，从而使得系统复杂度和整机成本显著提升。为保证在实现窄波束的前提下大幅降低阵列天线的通道数，本发明提出了一种基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线，其适用于W波段毫米波高精度成像系统，该阵列天线的核心内涵是通过MIMO设计理念产生远大于实体孔径的虚拟孔径，通过收发阵列构型的联合优化来抑制栅瓣。当发射波束的栅瓣（或零点）与接收波束的零点（或栅瓣）调整到同一角度时，收发双程方向图的栅瓣即得到了抑制。具体为：。

该阵列天线利用有限的实体阵元产生大规模的虚拟阵列，虚拟阵列包括发射通道（1）和接收通道（2）两部分，通过发射通道（1）的分时工作可以等效出第三部分虚拟接收通道（3），每个发射通道或接收通道均连接一个串馈微带贴片天线阵（4）；基于多入多出技术，发射通道（1）的n个发射链路分时工作以及接收通道（2）的m个接收链路同时工作，可以虚拟出n*m个接收通道的虚拟阵列。

本发明的有益效果在于：。

本发明的阵列天线基于MIMO阵列的设计理念，利用有限的实体阵元产生规模极大的虚拟阵元，虚/实阵元的结合可以在显著减少天线单元和阵列通道数的同时保持同等指标的阵列方向图，该阵列天线使得毫米波成像系统具有大阵列孔径、窄波束宽度和高分辨精度，同时系统的硬件规模和整机成本均能得到有效的控制，在毫米波高精度成像系统中具有重要应用价值。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明的布局示意图。

图3为本发明的叠层剖面示意图。

图4为本发明的发射方向图和接收方向图的仿真结果。

图5为本发明的收发双程方向图的仿真结果。

其中，1为发射通道、2为接收通道、3为虚拟接收通道、4为阵元串馈微带贴片阵列、5为发射线阵、6为接收线阵、7为辐射贴片层、8为玻璃基板、9为反射板层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

参照图1，本发明所提出的一种基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线，该阵列天线可利用有限的实体阵元产生规模极大的虚拟阵列，其工作原理可用图1中的示意图进行说明。虚拟阵列包括发射通道1和接收通道2两部分。利用该方法，通过发射通道1的分时工作可以等效出第三部分，也就是虚拟接收通道3。当发射通道1的间距为接收通道间距2的4倍时，通过发射通道TX1和TX2的分时工作以及接收通道RX1~RX4的同时工作，可以虚拟出1个发射通道和8个接收通道的虚拟阵列。当TX1工作、TX2关闭时，所对应的接收通道是RX1~RX4；当TX1关闭、TX2工作时，根据相对相位关系，可以虚拟出另外4个接收通道RX5~RX8。这样就形成了由RX1~RX8所组成的含8个接收通道的虚拟阵列。可以看到，基于虚拟通道所形成的8通道接收阵列，显著降低了硬件通道需求量。

参照图2，本发明所提供的适用于W波段高精度成像系统的大规模串馈微带阵列天线由12个发射通道1（6列×2行）和16个接收通道2（8列×2行）所组成，可分成上下对称的两部分，每部分中发射通道1标记为TX1~TX6，接收通道2标记为RX1~ RX8。每个发射通道或接收通道均连接一个16阵元的串馈微带贴片天线阵4。接收线阵6的间距为λ ₀/2，发射线阵5的间距为4λ ₀。利用本发明所提出的阵列构型，通过TX1~TX6的分时工作，可以产生48列×32行共1536个阵元的虚拟阵列。当TX1工作、其它通道关闭时，所对应的接收通道是RX1~RX8；当TX2工作、其它通道关闭时，可以虚拟出8个接收通道RX9~RX16；当TX3工作、其它通道关闭时，可以虚拟出8个接收通道RX17~RX24；当TX4工作、其它通道关闭时，可以虚拟出8个接收通道RX25~RX32；当TX5工作、其它通道关闭时，可以虚拟出8个接收通道RX33~RX40；当TX6工作、其它通道关闭时，可以虚拟出8个接收通道RX41~RX48。综上所述，这样就形成了含48个接收通道的虚拟阵列，其规模远大于实体发射通道及接收通道。

参照图3所示，基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线从上到下分别为辐射贴片层7、玻璃基板8、反射板层9。其中，辐射贴片层7的图案如图2所示，反射板层9为大面积金属化地。

本发明采用采用相控阵天线理论，对虚拟阵列的发射方向图和接收方向图进行了分析仿真，结果如图4所示。可以看到，发射方向图存在明显的栅瓣，具体原因是发射通道为大间距稀疏排布，发射通道间距为4λ ₀。同时，在发射方向图存在栅瓣的角度，接收方向图恰好是零点位置。通过发射方向图和接收方向图的双程叠加，可以抑制双程方向图的栅瓣。

本发明进一步对虚拟阵列的主平面方向图进行了分析计算，结果如图5所示。可以看到，虚拟阵列在水平面和垂直面均不存在栅瓣，同时在两个平面都具有窄的波束宽度，分别为2.1度和2.5度。如果适当增加发射通道数或接收通道数，还可以进一步缩小波束宽度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线，其特征在于：该阵列天线利用有限的实体阵元产生大规模的虚拟阵列，虚拟阵列包括发射通道（1）和接收通道（2）两部分，通过发射通道（1）的分时工作可以等效出第三部分虚拟接收通道（3），每个发射通道或接收通道均连接一个串馈微带贴片天线阵（4）；基于多入多出技术，发射通道（1）的n个发射链路分时工作以及接收通道（2）的m个接收链路同时工作，可以虚拟出n*m个接收通道的虚拟阵列。