CN114706043A - 一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法 - Google Patents

一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法 Download PDF

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CN114706043A
CN114706043A CN202210292489.9A CN202210292489A CN114706043A CN 114706043 A CN114706043 A CN 114706043A CN 202210292489 A CN202210292489 A CN 202210292489A CN 114706043 A CN114706043 A CN 114706043A
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transmission
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高上起
刘启钦
陈腾林
郑江洪
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Abstract

本发明涉及一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其通过同时调整微波集成电路的两个发射天线通道的相位配置器、功率配置器,并将配置分别通过两个发射天线同时发射出去,从而达到波束偏转的目的,进而提高有效角度的功率,增加了测距距离。

Description

一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域,具体涉及一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法。
背景技术
现有毫米波雷达提高有效角度功率的方法如下:
1、通过单发射通道多阵列天线调整功分器的相位角度和调整功分器幅度分配进行波束偏转,配合接收天线,从而增强有效,角度的增益,以提高有效角度发射功率;
2、通过单发射通道多阵列天线配合非对称馈线网络进行波束偏转,从而提高有效角度功率;
3、使用耦合振子,并改变耦合振子的负载对天线方向图进行近场牵引;
4、增加天线带宽,对天线阵进行串馈式激励时利用同样的路径在不同频率的相位差让方向图偏转。
以上波束偏转都为通过改变天线和馈线网路结构方式进行波束偏转,从而提高有效覆盖角度的功率,达到增加探测距离的方法。也就是目前提高雷达有效角度功率一般都是通过改变硬件的方式来实现。通过硬件的方式缺点:
1、当遇到雷达安装在车上角度的偏差,当达到一定偏差,以上天线结构的偏转角度未在此安装角度范围内,导致最强天线功率角度偏离探测方向有效角度,导致探测距离变短,从而需要调整安装角度或者重新更改天线的偏转角度,导致灵活性大大降低,增大了角雷达与汽车的安装适配时间;
2、以上硬件天线结构和馈线网络结构都需要占用到板面积,从而增加了板面积,由于高频板材的特殊,价格极高,增加板面积代表成本增加;
3、由于毫米波工作在高频频段,达到77Ghz,当以上硬件天线结构和馈线网路结构的加工公差控制不当,直接导致整个雷达方向图,威力图等都会产生畸变,从而导致雷达整体性能达不到要求,一致性非常难以控制。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,以提高可用角度功率,增加测具距离。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,所述方法基于微波集成电路实现,微波集成电路具有三个发射通道和四个接收通道,且其内部设有相位配置器和功率配置器;
所述微波集成电路的三个发射通道适配发射传输网络和发射天线阵列,所述发射天线阵列包括第一发射天线TX1、第二发射天线TX2和第三发射天线TX3;所述微波集成电路的四个接收通道适配接收传输网络和接收电线阵列,接收天线阵列包括第一接收天线RX1、第二接收天线RX2、第三接收天线RX3和第四接收天线RX4;
基于以上设置,所述方法为:
设置两组发射通道配置数据:
配置一:设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000031
设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000032
配置二:设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000033
设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000034
或者,
配置一:设置发射天线通道一的功率配置器为P1,设置发射天线通道二的功率配置器为P2
配置二:设置发射天线通道一的功率配置器为P3,设置发射天线通道二的功率配置器为P4
或者,
配置一:设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000035
设置发射天线通道一的功率配置器为P1;设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000036
设置发射天线通道二的功率配置器为P2
配置二:设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000037
设置发射天线通道一的功率配置器为P3;设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000038
设置发射天线通道二的功率配置器为P4
将上述两组配置注入第一发射天线TX1和第二发射天线TX2,第二发射天线TX2和第三发射天线TX3中,间歇发射波束,经四个接收天线接收信号后,通过算法解码处理,等效获得单独第一发射天线TX1、单独第二发射天线TX2、单独第三发射天线TX3的信号,还原为虚拟天线统统,再进行测角计算,即可得到有效角度范围内的某一方向上的远距离目标。
所述间歇发射包括第一发射天线TX1和第二发射天线TX2的间歇发射、第二发射天线TX2和第三发射天线TX3的间歇发射;
第一发射天线TX1和第二发射天线TX2的间歇发射如下:
第一发射天线TX1采用配置一中发射天线通道一的配置,第二发射天线TX2采用配置一中发射天线通道二的配置,并并依据该配置将第一发射天天线TX1和第二发射天线TX2同时发射至空中;
第一发射天线TX1采用配置二中发射天线通道一的配置,第二发射天线TX2采用配置二中发射天线通道二的配置,并依据该配置将第一发射天天线TX1和第二发射天线TX2同时发射至空中;
第二发射天线TX2和第三发射天线TX3的间歇发射如下:
第二发射天线TX2采用配置一中发射天线通道一的配置,第三发射天线TX3采用配置一中发射天线通道二的配置,并并依据该配置将第二发射天天线TX2和第三发射天线TX3同时发射至空中;
第二发射天线TX2采用配置二中发射天线通道一的配置,第三发射天线TX3采用配置二中发射天线通道二的配置,并依据该配置将第二发射天天线TX2和第三发射天线TX3同时发射至空中。
三个所述发射天线沿X方向排布,且相邻发射天线之间的中心间距为d,其中,d为0.5倍的工作波长;所述发射传输线网络包括第一发射天线TX1传输线网络、第二发射天线TX2传输线网络和第三发射天线TX3传输线网络。
四个接收天线沿X方向排布,且相邻接收天线的彼此中心间距为D,其中D≥3d,其中,d为0.5倍的工作波长;所述接收传输线网络包括第一接收天线RX1传输线网络、第二接收天线RX2传输线网络、第三接收天线RX3传输线网络和第三接收天线RX4传输线网络。
所有发射天线为相同形状的天线,且每个发射天线只有一列,由N个阵元组成,其中N≥8。
所述发射传输线网络为共面波导、波导、微带、带状中一种。
所有接收天线为相同形状的天线,且每个接收天线只有一列,由N个阵元组成,其中N≥8。
所述接收传输线网络为共面波导、波导、微带、带状中一种。
单独第一发射天线TX1、单独第二发射天线TX2、单独第三发射天线TX3的信号等效获取如下:
第一发射天线TX1和第二发射天线TX2同时发射时或者第二发射天线TX2和第三发射天线TX3同时发射时,
配置一状态下发射的总信号为
Figure BDA0003560794290000051
配置二状态下发射的总信号为
Figure BDA0003560794290000061
其中,S1为第一发射天线TX1和第二发射天线TX2同时发射状态下的单独第一发射天线TX1发射的信号,或者第二发射天线TX2和第三发射天线TX3同时发射状态下的单独第二发射天线TX2发射的信号;S2为第一发射天线TX1和第二发射天线TX2同时发射状态下的单独第二发射天线TX2发射的信号,或者第二发射天线TX2和第三发射天线TX3同时发射状态下的单独第三发射天线TX3发射的信号;
求解上述方程组,即可等效获得单独第一发射天线TX1、单独第二发射天线TX2、单独第三发射天线TX3的信号。
采用上述方案后,本发明通过同时调整微波集成电路的两个发射天线通道的相位配置器或功率配置器,并将配置分别通过两个发射天线同时发射出去,从而达到波束偏转的目的,进而提高有效角度的功率,增加了测距距离。此外,由于发射天线都是单列天线,并无功分器,因此减少了天线加工难度,降低了成本。
附图说明
图1为本发明发射天线示意图;
图2为本发明接收天线示意图;
图3为本微波集成电路内部构造示意图;
图4为数字波束偏转流程图;
图5为一实施例的波束偏转后方向图;
图6为测角计算流程图;
图7为一实施例的波束偏转后的威力图;
图8为毫米波雷达实车安装示意图;
图9为跟踪距离比较图。
具体实施方式
本发明揭示了一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其基于微波集成电路(微波集成电路)实现,微波集成电路具有三个发射通道和四个接收通道。
如图1所示,微波集成电路的三个发射通道适配发射传输网络和发射天线阵列。发射天线阵列包括第一发射天线TX1、第二发射天线TX2和第三发射天线TX3,三个发射天线沿X方向(AZ)排布,且相邻发射天线之间的中心间距为d,其中d为0.5倍的工作波长。所有发射天线为相同形状的贴片天线,且每个发射天线只有一列,由N(N≥8)个阵元组成。天线的形式并不局限于矩形贴片,有可能是缝隙、梳状等结构。
发射传输线网络包括第一发射天线TX1传输线网络、第二发射天线TX2传输线网络和第三发射天线TX3传输线网络,此发射传输线网络为共面波导、波导、微带、带状中一种。第一发射天线TX1传输线网络、第二发射天线TX2传输线网络和第三发射天线TX3传输线网络可以是等长等相位,也可以是等相不等长。
如图2所示,微波集成电路的四个接收通道适配接收传输网络和接收电线阵列。接收天线阵列包括第一接收天线RX1、第二接收天线RX2、第三接收天线RX3和第四接收天线RX4,四个接收天线沿X方向(AZ)排布,且相邻接收天线的彼此中心间距为D,其中,D≥3d,d为0.5倍的工作波长。所有接收天线为相同形状的贴片天线,且每个发射天线只有一列,由N(N≥8)个阵元组成。接收天线的形式并不局限于矩形贴片,有可能是缝隙、梳状等结构。
接收传输线网络包括第一接收天线RX1传输线网络、第二接收天线RX2传输线网络、第三接收天线RX3传输线网络和第三接收天线RX4传输线网络,四根传输线网络可以是等长等相位,也可以是等相不等长。此接收传输线网络为共面波导、波导、微带、带状中一种。
如图3所示,微波集成电路内部设有相位配置器和功率配置器,可以通过调整相位配置器或功率配置器,从而提高在有效角度范围内的其中某一角度的方向上的功率,在该方向上可测量的最远距离增加。
具体地,设置两组发射通道配置数据:配置一为设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000081
设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000082
配置二为设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000083
设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000084
或者,配置一为设置发射天线通道一的功率配置器为P1,设置发射天线通道二的功率配置器为P2;配置二为设置发射天线通道一的功率配置器为P3,设置发射天线通道二的功率配置器为P4。或者,配置一为设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000085
设置发射天线通道一的功率配置器为P1;设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000086
设置发射天线通道二的功率配置器为P2;配置二为设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000087
设置发射天线通道一的功率配置器为P3;设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000088
设置发射天线通道二的功率配置器为P4
将上述两组配置注入第一发射天线TX1和第二发射天线TX2,第二发射天线TX2和第三发射天线TX3中,间歇发射波束,经四个接收天线接收信号后,通过算法解码处理,等效获得单独第一发射天线TX1、单独第二发射天线TX2、单独第三发射天线TX3的信号,还原为虚拟天线统统,再进行测角计算,即可得到有效角度范围内的某一方向上的远距离目标。
如图4所示,配置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000091
配置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000092
然后同时发射,即可以改变发射端的发射波束,实现波束偏转。例如,将发射天线通道一的相位
Figure BDA0003560794290000093
配置成0°,发射天线通道二的相位
Figure BDA0003560794290000094
配置成0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°,波束偏转后方向如图5所示。
如图6所示,配置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000095
或者相位配置器为
Figure BDA0003560794290000096
且功率配置器为P1;配置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000097
或者相位配置器为
Figure BDA0003560794290000098
且功率配置器为P2。然后将配置信息分别注入到第一发射天线TX1和第二发射天线TX2中,第一发射天线TX1和第二发射天线TX2同时发送信号至空中。
接下来,配置发射天线通道一的相位配置器为
Figure BDA0003560794290000099
或者相位配置器为
Figure BDA00035607942900000910
且功率配置器为P3;配置发射天线通道二的相位配置器为
Figure BDA00035607942900000911
或者相位配置器为
Figure BDA00035607942900000912
且功率配置器为P4。然后将配置信息分别注入到第一发射天线TX1和第二发射天线TX2中,第一发射天线TX1和第二发射天线TX2同时发送信号至空中。
四个接收天线接收信号,通过算法解码处理,可等效获得单独TX1发射天线和单独TX2发射天线的信号,还原为8个虚拟天线通道,再进行测角计算。
第一组配置总信号为
Figure BDA0003560794290000101
第二组配置总信号为
Figure BDA0003560794290000102
其中,S1为单独第一发射天线TX1发射的信号,S2为单独第二发射天线TX2发射的信号,P0为基准功率,也可称为初始功率。
求解以上二元一次方程组,可等效获得单独TX1发射天线和单独TX2发射天线的信号。
Figure BDA0003560794290000103
Figure BDA0003560794290000104
Figure BDA0003560794290000105
P0=P1=P2=P3=P4,即为传统的BPM调制,
Figure BDA0003560794290000106
解码公式可简化为
Figure BDA0003560794290000107
Figure BDA0003560794290000108
Figure BDA0003560794290000109
Figure BDA00035607942900001010
均配置为0°,
Figure BDA00035607942900001011
Figure BDA00035607942900001012
配置为不同的组合,最终等效的方向图如图7所示。
以上例子第二发射天线TX2和第三发射天线TX3同理,此处不再进行赘述。
当毫米波雷达实车安装角度为β=45°时,如图8,在不改变安装角度的情况下,可以利用以上数字波束偏转可以尽量提高-45°LCA方向的功率,从而提高雷达探测距离;同时需要满足+45°RCTA方向的功率,且中间没有过低的零点,可以选择
Figure BDA0003560794290000111
Figure BDA0003560794290000112
的组合。
通过配置数字通道的相位或功率,能够将波束进行偏转,实车适用角度为负角度上,主波束可由原来的最高点-20°偏移到-33°左右,并且能够提高大约2dB的功率;当毫米波雷达实车安装角度为β=45°时,如图8,在不改变安装角度的情况下,可以利用以上数字波束偏转可以提高45角度的功率,从而提高雷达探测距离;提高45角度的功率方法,即利用数字波束偏转让主波束的功率最高点-20°偏移到-33°的角度,从而提高β=45°的功率,功率提高到4dB以上;功率提高后,探测距离则可以相应的提高,如图9所示。
综上,本发明的关键在于,本发明通过同时调整微波集成电路的两个发射天线通道的相位配置器或功率配置器,并将配置分别通过两个发射天线同时发射出去,从而达到波束偏转的目的,进而提高有效角度的功率,增加了测距距离。此外,由于发射天线都是单列天线,并无功分器,因此减少了天线加工难度,降低了成本。
以上所述,仅是本发明实施例而已,并非对本发明的技术范围作任何限制,故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其特征在于:所述方法基于微波集成电路实现,微波集成电路具有三个发射通道和四个接收通道,且其内部设有相位配置器和功率配置器;
所述微波集成电路的三个发射通道适配发射传输网络和发射天线阵列,所述发射天线阵列包括第一发射天线TX1、第二发射天线TX2和第三发射天线TX3;所述微波集成电路的四个接收通道适配接收传输网络和接收电线阵列,接收天线阵列包括第一接收天线RX1、第二接收天线RX2、第三接收天线RX3和第四接收天线RX4;
基于以上设置,所述方法为:
设置两组发射通道配置数据:
配置一:设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure FDA0003560794280000011
设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure FDA0003560794280000012
配置二:设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure FDA0003560794280000013
设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure FDA0003560794280000014
或者,
配置一:设置发射天线通道一的功率配置器为P1,设置发射天线通道二的功率配置器为P2
配置二:设置发射天线通道一的功率配置器为P3,设置发射天线通道二的功率配置器为P4
或者,
配置一:设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure FDA0003560794280000021
设置发射天线通道一的功率配置器为P1;设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure FDA0003560794280000022
设置发射天线通道二的功率配置器为P2
配置二:设置发射天线通道一的相位配置器为
Figure FDA0003560794280000023
设置发射天线通道一的功率配置器为P3;设置发射天线通道二的相位配置器为
Figure FDA0003560794280000024
设置发射天线通道二的功率配置器为P4
将上述两组配置注入第一发射天线TX1和第二发射天线TX2,第二发射天线TX2和第三发射天线TX3中,间歇发射波束,经四个接收天线接收信号后,通过算法解码处理,等效获得单独第一发射天线TX1、单独第二发射天线TX2、单独第三发射天线TX3的信号,还原为虚拟天线统统,再进行测角计算,即可得到有效角度范围内的某一方向上的远距离目标。
2.根据权利要求1所述的一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其特征在于:所述间歇发射包括第一发射天线TX1和第二发射天线TX2的间歇发射、第二发射天线TX2和第三发射天线TX3的间歇发射;
第一发射天线TX1和第二发射天线TX2的间歇发射如下:
第一发射天线TX1采用配置一中发射天线通道一的配置,第二发射天线TX2采用配置一中发射天线通道二的配置,并并依据该配置将第一发射天天线TX1和第二发射天线TX2同时发射至空中;
第一发射天线TX1采用配置二中发射天线通道一的配置,第二发射天线TX2采用配置二中发射天线通道二的配置,并依据该配置将第一发射天天线TX1和第二发射天线TX2同时发射至空中;
第二发射天线TX2和第三发射天线TX3的间歇发射如下:
第二发射天线TX2采用配置一中发射天线通道一的配置,第三发射天线TX3采用配置一中发射天线通道二的配置,并并依据该配置将第二发射天天线TX2和第三发射天线TX3同时发射至空中;
第二发射天线TX2采用配置二中发射天线通道一的配置,第三发射天线TX3采用配置二中发射天线通道二的配置,并依据该配置将第二发射天天线TX2和第三发射天线TX3同时发射至空中。
3.根据权利要求1所述的一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其特征在于:三个所述发射天线沿X方向排布,且相邻发射天线之间的中心间距为d,其中,d为0.5倍的工作波长;所述发射传输线网络包括第一发射天线TX1传输线网络、第二发射天线TX2传输线网络和第三发射天线TX3传输线网络。
4.根据权利要求1所述的一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其特征在于:四个接收天线沿X方向排布,且相邻接收天线的彼此中心间距为D,其中D≥3d,其中,d为0.5倍的工作波长;所述接收传输线网络包括第一接收天线RX1传输线网络、第二接收天线RX2传输线网络、第三接收天线RX3传输线网络和第三接收天线RX4传输线网络。
5.根据权利要求1所述的一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其特征在于:所有发射天线为相同形状的天线,且每个发射天线只有一列,由N个阵元组成,其中N≥8。
6.根据权利要求1所述的一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其特征在于:所述发射传输线网络为共面波导、波导、微带、带状中一种。
7.根据权利要求1所述的一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其特征在于:所有接收天线为相同形状的天线,且每个接收天线只有一列,由N个阵元组成,其中N≥8。
8.根据权利要求1所述的一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其特征在于:所述接收传输线网络为共面波导、波导、微带、带状中一种。
9.根据权利要求1所述的一种利用数字波束偏转提高有效角度功率的方法,其特征在于:单独第一发射天线TX1、单独第二发射天线TX2、单独第三发射天线TX3的信号等效获取如下:
第一发射天线TX1和第二发射天线TX2同时发射时或者第二发射天线TX2和第三发射天线TX3同时发射时,
配置一状态下发射的总信号为
Figure FDA0003560794280000041
配置二状态下发射的总信号为
Figure FDA0003560794280000042
其中,S1为第一发射天线TX1和第二发射天线TX2同时发射状态下的单独第一发射天线TX1发射的信号,或者第二发射天线TX2和第三发射天线TX3同时发射状态下的单独第二发射天线TX2发射的信号;S2为第一发射天线TX1和第二发射天线TX2同时发射状态下的单独第二发射天线TX2发射的信号,或者第二发射天线TX2和第三发射天线TX3同时发射状态下的单独第三发射天线TX3发射的信号;
求解上述方程组,即可等效获得单独第一发射天线TX1、单独第二发射天线TX2、单独第三发射天线TX3的信号。
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