CN114843795A - 一种天线阵列以及雷达 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种天线阵列以及雷达。天线阵列包括接收天线阵列以及发射天线阵列；接收天线阵列包括多个沿第一方向间隔排列的接收天线单元，每个接收天线单元包括多个沿第二方向间隔排列的接收天线；发射天线阵列包括多个沿第一方向和第二方向间隔排列的发射天线；第一方向和第二方向中的一个为水平方向，另一个为竖直方向。本发明实施例通过在天线阵列中设置多个接收天线单元以及设置多个发射天线，增加天线阵列在竖直方向上接收天线和发射天线的个数，从而使得天线阵列进行测高的角度分辨率越小，提高天线阵列在测高时的精度，解决了现有技术的雷达在进行测高时精度较差的技术问题。

Description

一种天线阵列以及雷达

技术领域

本申请实施例涉及雷达领域，尤其涉及一种天线阵列以及雷达。

背景技术

4D成像雷达技术，是指利用大型射频通道阵列来探测道路上物体的相对速度、距离和方位，以及道路上方物体的高度的技术。现有的4D成像雷达，一般使用单行接收天线以及多列发射天线组成的天线阵列，从而实现测量水平方向的角度以及垂直的高度。基于现有的4D成像雷达进行测高时，由于天线阵列结构上的限制，使得测量时的角度分辨率较大。然而，角度分辨率越大，测量的精度越差，因此，现有的4D成像雷达在测高时的精度较差，难以满足实际使用需求。

发明内容

本发明实施例提供了一种天线阵列以及雷达，本发明实施例能够提高雷达测高的分辨率，解决了现有技术的雷达在测高时精度较差的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种天线阵列，包括：接收天线阵列以及发射天线阵列；

所述接收天线阵列包括多个沿第一方向间隔排列的接收天线单元，每个所述接收天线单元包括多个沿第二方向间隔排列的接收天线；

所述发射天线阵列包括多个沿所述第一方向和所述第二方向间隔排列的发射天线；

所述第一方向和所述第二方向中的一个为水平方向，另一个为竖直方向。

优选的，所述第一方向为竖直方向，两个相邻的所述接收天线单元在所述第一方向上的间距为3λ，其中，λ为天线工作频段的波长。

优选的，所述接收天线单元中各接收天线在所述第二方向上的间距为

优选的，每个所述接收天线单元的下方还包括多个间隔排列的虚拟接收天线单元；

每个所述虚拟接收天线单元包括多个沿第二方向间隔排列的虚拟接收天线。

优选的，两个相邻的发射天线在所述第一方向和所述第二方向上的间距均为

两个相邻的虚拟接收天线单元在所述第一方向上的间距为

每个所述接收天线单元和所述接收天线单元下方相邻的虚拟接收天线单元在所述第一方向上的间距为

其中，λ为天线工作频段的波长。

优选的，每个所述接收天线单元和所述接收天线单元下方的多个虚拟接收天线单元组成一个接收天线子阵列，若相邻两个接收天线子阵列之间的间距大于半波长，则在使用所述天线阵列计算目标的角度时，对在后的接收天线子阵列的接收信号进行相位补偿。

优选的，补偿的相位根据各所述接收天线子阵列在所述第一方向上的间距确定。

优选的，补偿的相位根据各所述接收天线子阵列在所述第一方向上的间距以及校正因子确定，所述校正因子用于在对所述接收天线子阵列的相位进行补偿的过程中校正所述相位所需要移动的角度。

优选的，所述校正因子通过以下方式计算：

基于所述第一方向上的第一个接收天线子阵列接收的信号波，计算目标物体的第一方位角，其中，所述目标物体位于所述天线阵列的信号波覆盖范围内；

基于全部接收天线子阵列接收的信号波，计算所述目标物体的第二方位角；

根据所述第一方位角和所述第二方位角，确定校正因子。

优选的，所述计算所述目标物体的第二方位角的过程中，对所述第一方向上除第一个接收天线子阵列的其他接收天线子阵列进行相位移动，不同所述接收天线子阵列的相位所移动的角度通过各所述接收天线子阵列在所述第一方向上的间距确定。

优选的，所述发射天线的数量为四根，所述接收天线单元的数量为两个，每个接收天线单元中接收天线的数量为八根。

优选的，所述接收天线和所述发射天线均包括有多个阵元，相邻阵元之间通过折线进行连接，所述折线的长度为折线的介质波长的一半。

第二方面，本发明实施例提供了一种雷达，所述雷达应用于第一方面所述的天线阵列。

上述，本发明实施例公开了一种天线阵列以及雷达。天线阵列包括接收天线阵列以及发射天线阵列；接收天线阵列包括多个沿第一方向间隔排列的接收天线单元，每个接收天线单元包括多个沿第二方向间隔排列的接收天线；发射天线阵列包括多个沿第一方向和第二方向间隔排列的发射天线；第一方向和第二方向中的一个为水平方向，另一个为竖直方向。本发明实施例通过在天线阵列中设置多个接收天线单元以及设置多个发射天线，增加天线阵列在竖直方向上接收天线和发射天线的个数，并采用间隔排列的方式，使得天线阵列进行测高时的角度分辨率变小，提高天线阵列在测高时的精度，解决了现有技术的雷达在进行测高时精度较差的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种天线阵列的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的另一种天线阵列的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的另一种天线阵列的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的另一种天线阵列的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的MIMO原理的示意图。

图6为本发明实施例提供的一种MIMO天线阵列的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的另一种MIMO天线阵列的结构示意图。

图8为本发明实施例提供的一种MIMO天线阵列的等效示意图。

图9为本发明实施例提供的MIMO天线阵列的垂直维度的频域图。

图10为本发明实施例提供的一种天线阵列的阵元结构的示意图。

图11为本发明实施例提供的一种发射天线的E面和H面的方向图。

图12为本发明实施例提供的一种接收天线的E面和H面的方向图。

附图标记：

接收天线单元10、接收天线101、发射天线102、虚拟接收天线单元20、虚拟接收天线201、阵元30。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本申请的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本申请的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

目前，在现有的4D成像雷达技术中，一般在天线阵列中采用单行的接收天线阵列，即由4根接收天线RX1～RX4从左到右横向排成单行的接收天线阵列，发射天线阵列为多列多行发射天线TX1～TX3。其中，TX1和TX3位于同一水平线上且间隔一定的水平距离，TX2位于TX1和TX3之间，且在竖直方向上与TX1及TX3分别存在一定的竖直距离。RX1～RX4和TX1～TX3组成MIMO天线阵列，其中，MIMO，是指通过在发射端和接收端分别使用多个发射天线和多个接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量的技术。根据MIMO原理，利用虚拟孔径技术，由于水平方向上TX1、TX3间有水平距离，此时接收天线RX1～RX4在水平方向会合成一个2X4的接收阵列(接收阵列在水平方向有八个接收天线，四个真实的接收天线RX1-RX4以及四个虚拟的接收天线)；另外，由于TX2和TX1/TX3之间有竖直距离，故TX2和TX1/TX3可以在竖直方向合成一个2X1的接收阵列(接收阵列在竖直方向有两行天线，一行真实的接收天线RX1-RX4以及一行虚拟的接收天线)，在接收天线阵列以及发射天线阵列的配合下，雷达不仅可以实现水平方向上的角度测量，也可以实现竖直方向上的高度测量。然而，由于这种天线阵列结构中在竖直方向上只有两个接收天线(一根真实的接收天线和一根虚拟的接收天线)，导致在进行竖直方向上的高度测量时，高度测量的角度分辨率最多只能够达到±57.3°，测量的精度差，难以满足实际的测量要求。

基于此，本发明实施例提供了一种天线阵列以及雷达，以在利用天线阵列进行竖直方向的高度测量时，提高测量精确度。

本发明一个实施例提供了一种天线阵列，该天线阵列包括：接收天线阵列以及发射天线阵列；

接收天线阵列包括多个沿第一方向间隔排列的接收天线单元，每个接收天线单元包括多个沿第二方向间隔排列的接收天线；发射天线阵列包括多个沿第一方向和第二方向间隔排列的发射天线；第一方向和第二方向中的一个为水平方向，另一个为竖直方向。

在本实施例中，接收天线阵列中包括多个沿第一方向间隔排列的接收天线单元10，且每个接收天线单元10包括多个沿第二方向间隔排列的接收天线101。其中，接收天线单元10的数量以及接收天线单元10中接收天线101的数量均可根据实际需求设置。各接收天线单元10的间隔距离(即间距)可以相等也可以不等，当前以各接收天线单元10的间距相等为例，且间距的具体值可以根据实际需求设置。其中，两个接收天线单元10的间距是指两个接收天线单元10的中心相位之间的距离，也可以理解为两个接收天线单元10中，在第二方向上位于同一直线的两个接收天线的中心相位之间的距离。同理，接收天线单元10中的接收天线101的间隔距离(即间距)可以相等也可以不等，当前以各接收天线101的间距相等为例，且间距的具体值可以根据实际需求设置。其中，两个接收天线101的间距是指两个接收天线的中心相位之间的距离。可选的，各接收天线单元在第二方向上的第一根天线在第一方向上可以连城一条直线，即各接收天线单元在第一方向上的起始位置相同。而在发射天线阵列中，包括多个在第一方向和第二方向上均间隔排列的发射天线102。其中，发射天线102的数量均可根据实际需求设置。各发射天线102的间隔距离(即间距)可以相等也可以不等，当前以各发射天线102的间距相等为例，且间距的具体值可以根据实际需求设置。其中，两个发射天线102的间距是指两个发射天线102的中心相位之间的距离。其中，第一方向和第二方向为相互垂直的方向。一个实施例中，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向。或者，第一方向为竖直方向，第二方向为水平方向。一个实施例中，发射天线102在两个方向上间隔排列时可以连成一条斜线，此时，发射天线阵列存在两种排列方式，一种排列方式是左上至右下(从使用者的视角出发)，另一种排列方式是右上至左下(从使用者的角度出发)，具体采用哪种排列方式可以结合当前的使用需求。一个实施例中，以右上至左下的排列方式为例进行描述。一个实施例中，第一方向为竖直方向，第二方向为水平方向时，天线阵列的结构示意图如图1所示，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向时，天线阵列的结构示意图如图2所示。需要说明，图1和图2仅是两种示例性的天线阵列，并非对天线阵列的数量以及排列关系的限定。

本实施例提及的发射天线102和接收天线101均由多个阵元组成，阵元是指组成天线的辐射单元。一个实施例中，多个阵元沿竖直方向排列后组成本实施例中使用的天线。

需要说明，前述所提及的水平方向和竖直方向是相对的两个方向，天线阵列沿不同的方向放置时，水平方向和竖直方向可以根据放置的方向而发生改变，但是无论放置的方向如何变化，第一方向和第二方向的相互垂直关系不发生变化，因此，当在某个方向上放置天线阵列时，可以达到第一方向和第二方向中的一个为水平方向，另一个为竖直方向。

示例性的，使用天线阵列进行测量时，角度分辨率可以体现天线阵列的测量精度，角度分辨率是指成像系统或系统元件(当前指天线阵列)能有差别地区分开两相邻物体最小间距的能力，角度分辨率越小，测量精度越高。天线阵列中接收天线101的数量越多时，天线阵列进行测高时角度分辨率越小，其原因在于，天线阵列中接收天线101的数量与测高的角度分辨率存在以下关系：

其中，Δθ为角度分辨率，λ为天线工作频段的波长；N为竖直方向接收天线的个数；d为接收天线之间的间距；θ为所探测物体的位置。可理解，使用天线阵列进行水平测角时的角度分辨率与接收天线的数量同样适用于公式(1)，此时，N为水平方向上接收天线的个数。由公式(1)可以得知，λ和θ固定时，N的数量越多，Δθ越小。因此，本实施例中通过在天线阵列的接收天线阵列中设置多个接收天线单元，每个接收天线单元10包括多个接收天线101，以及在发射天线阵列中设置多个发射天线102，并且通过第一方向和第二方向的间隔设置，可以在竖直方向上增加接收天线101以及发射天线102的数量，进而降低天线阵列在测高的角度分辨率，从而提高天线阵列的测量精度。一个实施例中，以发射天线阵列中发射天线102的数量为四根，发射天线阵列中接收天线单元10的数量为两个，每个接收天线单元10中接收天线101的数量为八根为例进行示例性描述，此时，天线阵列的结构图如3所示，图3所示的天线阵列可以在保证天线数量的基础上(即保证测量精度)，通过上下紧凑的排列方式，能够最大化地优化的天线阵列的布局的空间，从而减少了天线阵列所占的尺寸。

需要进一步说明的是，理论上，增加发射天线102的个数或增加接收天线101的个数对角度分辨率的提高是相同。但是实际使用过程中，由于使用天线阵列进行测量的雷达所使用的系统要求发射机只能有一个，即只能产生一个本振信号，本振信号的能量是固定的，因此发射天线102的个数越多，每个发射天线102所分到的能量越弱，系统的信噪比就越低，能检测到的距离就越近。而接收机是可以设置多个的，每个接收机所需的本振信号的能量要求很低，因此发射机的本振信号能够分出很多路给到接收机使用，且对系统的信噪比的影响较小(即信噪比不会有多大改变)，不会改变检测的距离。因此，实施例中，设置接收天线101和发射天线102的数量时，接收天线101的增加数量一般大于发射天线102的增加数量。

另外，需要进一步说明的是，基于公式(1)可知，对于天线阵列而言，接收天线101之间的间距会影响角度分辨率的大小，接收天线之间的间距越大，角度分辨率越小，但是，接收天线之间的间距又会影响天线阵列的最大角视场，最大角视场是指天线阵列可以探测到的最大的视场的角度。最大角视场的计算公式如下：

其中，θ_MAX为天线阵列的最大角视场，由公式(2)可知，λ固定时，d越大，θ_MAX越小，即最大角视场越小。因此，在本实施例中可根据实际需要对接收天线单元以及接收天线设置合理的的间距，从而在保证角度分辨率的同时，又保证天线阵列的最大角视场。

在一个实施例中，第一方向为竖直方向，两个相邻的接收天线单元在第一方向上的间距为3λ，其中，λ为天线工作频段的波长。

示例性的，第一方向上相邻的两个接收天线单元10在第一方向上的间距为3λ。当第一方向为竖直方向时，接收天线阵列的结构如图4所示，此时，将两个相邻的接收天线单元10的间距设置为3λ的原因在于：在实际使用过程中，为了保证接收到的信号的强度，接收天线101需要较大的增益，因此每个接收天线101中沿竖直方向排列的阵元的数量不能太少，当接收天线101中阵元的数量较多时，会使得每个接收天线101的长度越长，导致相邻竖直方向上的两个接收天线101的中心相位的间距增大，不能达到理想的

因此，需要为相邻的接收天线单元10之间设置合理的间距，以保证天线阵列的检测精度，当前，将接收天线单元10的间距设置为3λ，可以满足接收天线常用的阵元数量对竖直方向上的间距的要求。

一个实施例中，接收天线单元中各接收天线在第二方向上的间距为

示例性的，如图4中，接收天线阵列中每两个相邻的接收天线101在水平方向上的间距均为

其中，λ为天线工作频段的波长。将间距设置为

的原因在于，由公式(2)可知，当两个接收天线101之间的间距为

时，天线阵列的角视场可以达到±90°，即达到最大角视场。因此，设置两个接收天线101在水平方向上的距离为

可以在提高天线阵列的角度分辨率的同时，保证天线阵列达到最大角视场±90°。

上述，本发明实施例提供了一种天线阵列。天线阵列包括接收天线阵列以及发射天线阵列；接收天线阵列包括多个沿第一方向间隔排列的接收天线单元，每个接收天线单元包括多个沿第二方向间隔排列的接收天线；发射天线阵列包括多个沿第一方向和第二方向间隔排列的发射天线；第一方向和第二方向中的一个为水平方向，另一个为竖直方向。本发明实施例通过在天线阵列中设置多个接收天线单元以及设置多个发射天线，增加天线阵列在竖直方向上接收天线和发射天线的个数，从而使得天线阵列进行测高的角度分辨率越小，提高天线阵列在测高时的精度。

在一个实施例中，每个接收天线单元的下方还包括多个间隔排列的虚拟接收天线单元；每个虚拟接收天线单元包括多个沿第二方向间隔排列的虚拟接收天线。

在一个实施例中，接收天线阵列和发射天线阵列组成MIMO天线阵列，由于接收天线阵列中包括多个接收天线101，发射天线阵列中包括多个接收天线101，因此可利用接收天线阵列和发射天线阵列组成MIMO天线阵列，MIMO天线阵列能够极大地提高信道容量以及具有极高的频谱利用效率。

需要进一步说明的是，根据MIMO技术，只需要增加发射天线102的个数，即可达到增加接收天线101的个数的效果。示例性的，如图5所示，图5中有两个发射天线TX1和TX2。TX1发射的信号在四个接收天线RX1、RX2、RX3以及RX4上生成的相位为[0ω2ω3ω](以RX1为基准)。由于第2个发射天线TX2设置在与TX1相距4d的位置上，TX2发射的任何信号相比于TX1都额外增加了一段路径4dsin(θ)，此时，四个接收天线接收到TX2发射的信号相对应接收TX1发射的信号而言，相位会存在一个额外的位移4ω。四个RX天线接收到由TX2发射的信号的相位为[4ω5ω6ω7ω]。将TX1和TX2发送的信号在四个RX天线上的相位序列串联起来，即可得到相位序列[0ω2ω3ω4ω5ω6ω7ω]，该相位序列与使用1个发射天线和八个接收天线时得到的相位序列相同，即使用四个接收天线时，增加一个发射天线后，可以虚拟出四根接收天线，即模拟出使用八根接收天线的效果，此时，可以认为虚拟出了四个接收天线101。虚拟出接收天线的技术也可以理解为虚拟孔径技术。

同理，在本实施例中，由于发射天线阵列中具有多个发射天线102，且每个发射天线102之间分别沿第一方向和第二方向间隔排。因此，可根据接收天线阵列和发射天线阵列组成MIMO天线阵列，通过竖直方向上的虚拟孔径，在接收天线阵列中虚拟生成更多的接收天线，从而增加接收天线在竖直方向上的个数，进一步提高天线阵列进行测高时的角度分辨率。

在一个实施例中，根据发射天线101和接收天线102的数量，可以确定出虚拟接收天线201的数量，当前，以两个发射天线101为例进行示例性的描述，参考图6，以两个接收天线单元10为例，此时，对于每个接收天线单元10而言，其中的每根接收天线101均可模拟出一根虚拟接收天线201，且虚拟接收天线201与真实的接收天线101的排列方式相似，第二方向上同一条直线上的虚拟接收天线201可以组成虚拟接收天线单元20，各虚拟接收天线单元20在第一方向上也间隔排列。基于此可知，每个接收天线单元10下方会生成至少一个虚拟接收天线单元20，每个虚拟接收天线单元20内包括有多个虚拟接收天线201，当虚拟接收天线单元20为多个时，多个虚拟接收天线单元20在第一方向上间隔排列。一般而言，一个接收天线单元10及其下方的虚拟接收天线单元20的总数量与发射天线的数量相等。可理解，接收天线阵列和发射天线阵列组成MIMO天线阵列时，可适当减少接收天线阵列中竖直方向上接收天线101的个数，通过MIMO天线阵列中虚拟生成的虚拟接收天线201来补偿接收天线101的个数，提高接收天线101的利用率，在减少成本的同时，保证角度分辨率。

当前，以第一方向为竖直方向进行示例性描述，由于发射天线102沿水平方向和竖直方向间隔排列，因此，在每个接收天线单元10的下方，会虚拟生成多个沿竖直方向间隔排列的虚拟接收天线单元20，且在每个虚拟接收天线单元20中，包括多个沿水平方向间隔排列的虚拟接收天线201。举例而言，发射天线阵列中发射天线102的数量为四个，在如图7所示的接收天线阵列中，接收天线阵列中接收天线单元10的数量为两个，每个接收天线单元10中接收天线101的数量为八个，此时，根据MIMO原理，每个接收天线单元10沿竖直方向会生成三个间隔排列的虚拟接收天线单元20，每个虚拟接收天线单元20中包括八个沿水平方向间隔排列的虚拟接收天线201，MIMO接收天线阵列的结构如图9所示。

上述，在本实施例中，通过MIMO天线阵列中生成的虚拟接收天线单元来增加竖直方向上接收天线单元的个数，从而能够补偿竖直方向上接收天线的个数，提高天线阵列进行测高时的角度分辨率。其次，由于虚拟接收天线单元是虚拟生成的，在实际的天线阵列中并不需要预留虚拟接收天线单元的设置空间，因此，能够减小天线阵列所占的尺寸，小型化天线阵列，另外一方面可以将多余的空间用于增加发射天线的阵元数，从而增加发射天线的增益，提高天线阵列的信噪比。

在一个实施例中，两个相邻的发射天线在第一方向和第二方向上的间距均为

两个相邻的虚拟接收天线单元在第一方向上的间距为

每个接收天线单元和接收天线单元下方相邻的虚拟接收天线单元在第一方向上的间距为

其中，λ为天线工作频段的波长。

在一个实施例中，两个相邻的发射天线102在第一方向和第二方向上的间距设置为

设置为

的目的在于，使得接收天线阵列在生成虚拟接收天线单元20时，两个相邻的虚拟接收天线单元20在第一方向上的间距为

每个接收天线单元10和接收天线单元10下方相邻的虚拟接收天线单元20之间在竖直方向上的间距为

以保证天线阵列达到最大角视场。

如图7所示的MIMO天线阵列中，两个相邻的虚拟接收天线单元20在第一方向上的间距为

每个接收天线单元10和接收天线单元10下方相邻的虚拟接收天线单元20之间在竖直方向上的间距为

以在保证测量精度时，保证天线阵列的最大角视场。

在一个实施例中，每个接收天线单元和接收天线单元下方的多个虚拟接收天线单元组成一个接收天线子阵列，若相邻两个接收天线子阵列之间的间距大于半波长，则在使用天线阵列计算目标的角度时，对在后的接收天线子阵列的接收信号进行相位补偿。

需要说明的是，在本实施例中，为了保证接收天线101的增益，每个接收天线101中的阵元30数不能太少，因此，每个接收天线单元10之间需要设置较大的间隔，无法达到MIMO原理的要求。示例性的，如图7所示的MIMO天线阵列中，两个相邻的发射天线102在竖直方向和水平方向上的距离均为

两个相邻的虚拟接收天线单元20在第一方向上的距离为

每个接收天线单元10和接收天线单元10下方相邻的虚拟接收天线单元20之间在竖直方向上的距离为

根据MIMO原理，两个接收天线单元10和虚拟接收天线单元20之间的距离为

加上虚拟接收天线单元20之间的距离

因此，两个接收天线单元10的理想间隔是2λ。而实际在图7所示的MIMO天线阵列中，因为阵元数量的限制，两个接收天线单元10的间隔达到3λ，导致在MIMO天线阵列中，第三个虚拟接收天线单元20和第二个接收天线单元10之间的间距为

并非是

导致MIMO天线阵列在测量目标在竖直方向上的方位角时，会出现角度模糊问题。为了便于理解，如图8所示，图8为MIMO天线阵列的等效示意图，其中，1代表接收天线101，X代表发射天线102，每个格子代表间隔

四边形内的1是根据MIMO原理生成的虚拟接收天线201，四边形外的1是真实的接收天线101，0表示无天线，由图8可以看出，在MIMO天线阵列中，第四行的虚拟接收天线单元20和第五行的接收天线单元10之间的间隔达到

因此，不管是使用DBF算法还是使用FFT3rd算法，根据最大角视场原理，相邻接收天线(包括接收天线101以及虚拟接收天线201)的间距大于

的MIMO天线阵列在计算目标在竖直方向上的方位角时会存在两个计算结果，这两个计算结果造成了角度模糊问题，如对图7所示的MIMO天线阵列进行仿真时，得到的结果如图9所示的垂直维度的频域图。在图9中，由于第四行的虚拟接收天线单元20和第五行的接收天线单元10(真实的)之间的间隔是

因此在计算目标的方位角时，不管是使用DBF算法还是使用FFT3rd算法，均会存在两个计算结果，两个计算结果会以副瓣的形式叠加在竖直方向上的八根接收天线(包括两根接收天线101和六根虚拟接收天线201)的计算结果上，如图9所示，在图9中只有1个主峰，没有副瓣的曲线分别是间距均为

的八根接收天线用DBF算法和FFT3rd计算得到的频谱图(即图9中的DBF曲线与FFT3rd曲线)，而有副瓣的曲线是图7所示的MIMO天线阵列使用DBF算法和FFT3rd算法计算得到的频谱图(即图9中的DBF(saprse)曲线与FFT3rd(saprse)曲线)。在理想情况下，由于副瓣无法达到主瓣的幅值，故角度计算不会出错，但是在实际应用中，副瓣有可能使得信噪比较弱的回波的角度计算错误，导致目标的方位角计算错误。

为了避免角度模糊的问题，本实施例中，若相邻两个接收天线子阵列之间的间距大于半波长，则在使用天线阵列计算目标的角度时，对在后的接收天线子阵列的接收信号进行相位补偿。以图7为例，在使用天线阵列计算目标的方位角时，需要对图7中的第四行的虚拟接收天线单元20和第五行的接收天线单元10进行相位补偿。基于此，在本实施例中为每个接收天线单元10设置一个补偿相位，以在使用MIMO天线阵列计算目标的方位角时，使用补偿相位对每个接收天线子阵列进行相位补偿，以避免角度模糊的问题。具体的，与每个接收天线子阵列相对应的补偿相位预先计算并进行保存，当后续使用天线阵列计算目标的方位角时，通过调用与每个接收天线子阵列相对应的补偿相位进行相位补偿，之后，再使用相位补偿后的天线阵列来计算出目标的方位角，从而解决出现角度模糊问题。可理解，在本实施例中，第一个接收天线子阵列不需要进行相位补偿。

一个实施例中，补偿的相位根据各接收天线子阵列在第一方向上的间距确定。

示例性的，在计算每个接收天线子阵列的所需要补偿的相位时，根据每个接收天线子阵列在竖直方向上的距离来确定。具体的，以图7所示的MIMO天线阵列为例，理想情况下，根据MIMO原理，两个天线的间距

时，天线间移动的相位就是一个ω，由于第四行的虚拟接收天线单元20和第五行的接收天线单元10之间的间隔是

第四行的虚拟接收天线单元20和第五行的接收天线单元10移动的相位为3ω，因此，需要将第五行的接收天线单元10相位移动2ω，从而达到第四行的虚拟接收天线单元20和第五行的接收天线单元10之间的间隔是

的效果。即2ω为第二个接收天线阵列的所需要补偿的相位，第二个接收天线阵列相对应的补偿相位为2ω，后续使用图7所示的MIMO天线阵列计算目标的方位角时，需要对第二个接收天线子阵列的相位补偿2ω，从而解决角度模糊问题。

可理解，在实际使用过程中，接收天线阵列的竖直方向上接收天线单元10的数量可能大于两个，例如，接收天线单元10为三个时，MIMO天线阵列中会存在有三个接收天线子阵列，因此，还需要进一步对第三个接收天线子阵列的相位进行补偿，由于第二个接收天线子阵列最后一行的虚拟接收天线单元20与第三个接收天线子阵列的接收天线单元10之间的间隔同样为

但是在对第二个接收天线子阵列的相位进行补偿时，由于第二个接收天线子阵列的相位移动了2ω。因此，对于第三个接收天线子阵列，需要在相位移动2ω的基础上，再移动2ω，才能使得相位移动后的第三个接收天线子阵列的接收天线单元10和相位移动后的第二个接收天线子阵列的最后一个虚拟接收天线单元20之间的间隔为

即第三个接收天线子阵列所需要补偿的相位为4ω。当MIMO天线阵列中存在四个、五个或六个接收天线子阵列时，每个接收天线子阵列所需要补偿的相位依此类推，每个接收天线子阵列需要在之前的一个接收天线子阵列所移动的相位的基础上多移动2ω，第N个接收天线子阵列所需要补偿的相位为(N-1)×2ω，即N个接收天线子阵列所对应的补偿相位为(N-1)×2ω，与每个接收天线子阵列与竖直方向上第一个接收天线子阵列的距离成正比。

上述，通过根据每个接收天线子阵列在竖直方向上的距离，从而确定出每个接收天线子阵列所需要补偿的相位，以便后续使用MIMO天线阵列计算目标的方位角时，能够调用与接收天线子阵列所需要补偿的相位对接收天线子阵列进行相位补偿，使得虚拟接收天线单元和接收天线单元之间的间隔为

满足MIMO原理的要求，从而避免后续计算目标的方位角时，出现角度模糊的问题。

在天线阵列用于测量目标物体的方位角时，可以获取每个接收天线单元的信号波，其中第一方向上的第一个接收天线子阵列接收的信号无需进行相位补偿，而对在后(第二个或第三个……)的接收天线子阵列的接收的信号，可以根据预设的补偿相位分别进行相位补偿，使相位补偿后相邻的接收天线子阵列之间的间隔为

相位补偿后，可根据所有接收天线子阵列的信号波(包括未进行相位补偿的第一个接收天线子阵列的信号波，也包括相位补偿后的其他接收天线子阵列的信号波)计算目标物体的方位角，得到精度更高的方位角。

一个实施例中，补偿的相位根据各接收天线子阵列在第一方向上的间距以及校正因子确定，校正因子用于在对接收天线子阵列的相位进行补偿的过程中校正相位所需要移动的角度。

示例性的，由于实际上接收天线子阵列的相位中心不准确，若只根据每个接收天线子阵列在竖直方向上的距离来确定相对应的补偿相位，则会导致计算出的补偿相位不准确。例如，对于第二个接收天线子阵列，所需要移动的相位可能会比2ω多一点或少一点，因此，需要进一步引入校正因子，对接收天线子阵列所需要移动的相位进行校准，得到准确的补偿相位。在本实施例中，根据接收天线子阵列在竖直方向上的距离确定出接收天线子阵列所需要移动的相位(当前记为初始补偿相位)后，进一步使用校正因子对所需要移动的相位进行校准，从而准确得到与每个接收天线子阵列相对应的补偿相位。

示例性的，校正因子的计算方式当前不作限定，一个实施例中，校正因子通过以下方式计算：基于第一方向上的第一个接收天线子阵列接收的信号波，计算目标物体的第一方位角，其中，目标物体位于天线阵列的信号波覆盖范围内；基于全部接收天线子阵列接收的信号波，计算目标物体的第二方位角；根据第一方位角和第二方位角，确定校正因子。具体的，在本实施例中，以图7所示的MIMO天线阵列为例，在计算第一方位角时，首先在预设位置上放置一个目标物体。可理解，目标物体位于天线阵列的信号波覆盖范围内，在一个实施例中，为了方便计算，可以将预设位置设置在MIMO天线阵列的0°方向上，在本实施例中不对预设位置进行限定。之后，使用MIMO天线阵列中第一个接收天线子阵列的接收信号波，通过DBF算法或FFT3rd算法来估算目标物体的方位角，将该方位角记为第一方位角。当目标物体放置在MIMO天线阵列的0°方向上时，此时第一方位角理论上应该为0°，但是由于误差的存在，第一方位角可能是与0°相接近的角度，比如1°或-1°等。

在计算出第一方位角后，需要进一步计算出第二方位角，在本实施例中，第二方位角是基于全部接收天线子阵列的接收信号波计算得到。在一个实施例中，计算目标物体的第二方位角的过程中，对第一方向上除第一个接收天线子阵列的其他接收天线子阵列进行相位移动，不同接收天线子阵列的相位所移动的角度通过各接收天线子阵列在第一方向上的间距确定。即对除了第一个接收天线子阵列以外的其他接收天线子阵列的相位进行移动，并根据相位移动后的全部接收天线子阵列的接收信号波，计算出目标物体的方位角，该方位角即为第二方位角。具体的，以图7中的MIMO天线阵列为例，在计算出第一方位角后，由于图7的MIMO天线阵列中包括第一接收天线子阵列和第二天线子阵列，因此，进一步对除了第一个接收天线子阵列以外的第二个接收天线子阵列的相位进行移动，不同接收天线子阵列的相位所移动的角度不同，角度为对应的接收天线子阵列的初始补偿相位，初始补偿相位和对应的校正因子相乘后得到补偿相位。在本实施例中，第二个接收天线子阵列的的初始补偿相位为2ω，初始补偿相位为2ω的原因可参考上述确定补偿相位的过程，在本实施例中不在赘述。在对第二接收天线子阵列的相位移动的初始补偿相位后，使用第一个接收天线子阵列和相位移动后的第二个接收天线子阵列来计算目标物体的方位角，将该方位角记为第二方位角。可理解，若接收天线阵列中包括有数量为两个以上的接收天线子阵列，则需要对除了第一个接收天线子阵列以外的其他接收天线子阵列的相位进行移动，即第N个接收天线子阵列所需要移动的初始补偿相位为(N-1)×2ω。之后使用第一个接收天线子阵列和其他所有相位移动了对应初始补偿相位的接收天线子阵列来计算出目标物体的第二方位角。

可理解，第一方位角和第二方位角的计算方式是已实现的技术手段，当前不另做描述。

在计算出第一方位角和第二方位角后，即可根据第一方位角和第二方位角来计算出校正因子，以便后续使用校正因子对接收天线子阵列所需要移动的相位进行校准，得到与每个接收天线子阵列相对应的补偿相位。在一个实施例中，校正因子的计算公式为：

AX+B(1-X)＝0

其中，A为第一方位角，B为第二方位角，X为校正因子。

在得到校正因子后，使用校正因子乘以每个接收天线子阵列所需要移动的相位，从而得到与每个接收天线子阵列所需要补偿的相位，即补偿相位。即对于MIMO天线阵列中的第N个接收天线子阵列，相对应的补偿相位的计算公式为：

K_N＝X×(N-1)×2ω

其中，K_N为第N个接收天线子阵列相对应的补偿相位。

在计算出补偿相位后，将补偿相位进行保存，以便后续使用天线阵列计算目标的方位角时，即可调用与每个接收天线子阵列相对应的补偿相位，再使用补偿相位对相对应的接收天线子阵列的相位进行补偿，之后，使用相位补偿后的接收天线阵列来计算目标在竖直方向上的方位角。

上述，本发明实施例通过使用校正因子来对每个接收天线子阵列所需要移动的相位进行校准，从而准确得到与每个接收天线子阵列相对应的补偿相位，使得后续使用补偿相位对接收天线子阵列进行补偿后，能够进一步提高天线阵列所计算出的方位角的精确性和准确性。

在一个实施例中，接收天线和发射天线均包括有多个阵元，相邻阵元之间通过折线进行连接，折线的长度为折线的介质波长的一半。

在本实施例中，接收天线和发射天线均包括有多个阵元30，相邻阵元30之间通过折线进行连接。例如，当接收天线阵列包括两个接收天线单元10，每个接收天线单元包括八个接收天线101，发射天线阵列包括四个发射天线102，每个接收天线101包括有10个阵元30，每个发射天线102包括有八个阵元30时，天线阵列的结构如图10所示，接收天线101和发射天线102均包括有多个阵元30，相邻阵元30之间通过折线进行连接。

可理解，通过将每个阵元30使用折线进行连接，能够减小接收天线101以及发射天线102的尺寸，从而进一步减小天线阵列的面积。在一个实施例中，折线的长度为折线的介质波长的一半，从而能够提高接收天线101和发射天线102的H面的半功率波瓣宽度，从而扩大天线阵列的探测范围。在本实施例中，发射天线102和接收天线101的E面和H面的方向图分别如图11以及图12所示。

上述，本发明实施例通过将接收天线和发射天线中的阵元通过折线进行连接，减小了接收天线以及发射天线的尺寸，小型化了天线阵列的面积，另外一方面可以将多余的空间用于增加阵元数，从而增加发射天线的增益，提高雷达产品的信噪比。

本发明实施例还提供了一种雷达，雷达包括上述的一种天线阵列。该雷达的应用场景当前不作限定，如应用在无人机等需要使用雷达进行探测、测量的领域中。本发明实施例通过在天线阵列中设置多个接收天线单元以及设置多个发射天线，能够增加天线阵列在竖直方向上接收天线和发射天线的个数，从而使得天线阵列进行测高的角度分辨率越小，提高天线阵列在测高时的精度。另外，当天线阵列为MIMO天线阵列时，能够进一步减小天线阵列所占的尺寸，还可以将多余的空间用于增加发射天线的阵元数，从而增加发射天线的增益，提高天线阵列的信噪比。

注意，上述仅为本发明实施例的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明实施例不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明实施例的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明实施例进行了较为详细的说明，但是本发明实施例不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明实施例构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明实施例的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种天线阵列，其特征在于，包括：接收天线阵列以及发射天线阵列；

所述接收天线阵列包括多个沿第一方向间隔排列的接收天线单元，每个所述接收天线单元包括多个沿第二方向间隔排列的接收天线；

所述发射天线阵列包括多个沿所述第一方向和所述第二方向间隔排列的发射天线；

所述第一方向和所述第二方向中的一个为水平方向，另一个为竖直方向。

2.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述第一方向为竖直方向，两个相邻的所述接收天线单元在所述第一方向上的间距为3λ，其中，λ为天线工作频段的波长。

3.根据权利要求1或2所述的天线阵列，其特征在于，所述接收天线单元中各接收天线在所述第二方向上的间距为

4.根据权利要求2所述的天线阵列，其特征在于，每个所述接收天线单元的下方还包括多个间隔排列的虚拟接收天线单元；

每个所述虚拟接收天线单元包括多个沿第二方向间隔排列的虚拟接收天线。

5.根据权利要求4所述的天线阵列，其特征在于，两个相邻的发射天线在所述第一方向和所述第二方向上的间距均为

两个相邻的虚拟接收天线单元在所述第一方向上的间距为

每个所述接收天线单元和所述接收天线单元下方相邻的虚拟接收天线单元在所述第一方向上的间距为

其中，λ为天线工作频段的波长。

6.根据权利要求5所述的天线阵列，其特征在于，每个所述接收天线单元和所述接收天线单元下方的多个虚拟接收天线单元组成一个接收天线子阵列，若相邻两个接收天线子阵列之间的间距大于半波长，则在使用所述天线阵列计算目标的角度时，对在后的接收天线子阵列的接收信号进行相位补偿。

7.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，补偿的相位根据各所述接收天线子阵列在所述第一方向上的间距确定。

8.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，补偿的相位根据各所述接收天线子阵列在所述第一方向上的间距以及校正因子确定，所述校正因子用于在对所述接收天线子阵列的相位进行补偿的过程中校正所述相位所需要移动的角度。

9.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于，所述校正因子通过以下方式计算：

基于所述第一方向上的第一个接收天线子阵列接收的信号波，计算目标物体的第一方位角，其中，所述目标物体位于所述天线阵列的信号波覆盖范围内；

基于全部接收天线子阵列接收的信号波，计算所述目标物体的第二方位角；

根据所述第一方位角和所述第二方位角，确定校正因子。

10.根据权利要求9所述的天线阵列，其特征在于，所述计算所述目标物体的第二方位角的过程中，对所述第一方向上除第一个接收天线子阵列的其他接收天线子阵列进行相位移动，不同所述接收天线子阵列的相位所移动的角度通过各所述接收天线子阵列在所述第一方向上的间距确定。

11.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述发射天线的数量为四根，所述接收天线单元的数量为两个，每个接收天线单元中接收天线的数量为八根。

12.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述接收天线和所述发射天线均包括有多个阵元，相邻阵元之间通过折线进行连接，所述折线的长度为折线的介质波长的一半。

13.一种雷达，其特征在于，所述雷达包括如权利要求1-12任一项所述的天线阵列。

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