CN115015840A - 融合雷达射频感应和异质界面耦合技术的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种融合雷达射频感应和异质界面耦合技术的装置和方法，通过在异质界面内表面具有金属特性的电磁超表面图案阵列天线，在电磁超表面图案阵列天线的周围粘接固定模块，所述固定模块与所述电磁超表面图案阵列天线共同形成一个封闭式的电磁波谐振空腔区域，内置有用于辐射传导电磁波的高分子介质材料，和雷达射频感应控制系统；雷达微带天线所发射的电磁波，经所述高分子介质材料，在所述电磁波谐振空腔区域反复反射叠加增强后，通过所述电磁超表面图案阵列天线，辐射到异质界面的外部空间感应区域，对感应区域范围内的活动或微动目标进行检测，并采用双阈值控制逻辑输出控制指令，提高雷达感应系统的感应和控制精度。

Description

融合雷达射频感应和异质界面耦合技术的装置和方法

技术领域

本发明涉及雷达射频技术领域，尤其是涉及一种融合雷达射频感应和异质界面耦合技术的装置和方法。

背景技术

在自动感应和控制应用领域中，普遍使用感应传感器，如感应雷达、红外光学测距和人体热释红外感应等，其中感应雷达以其体积小、作用距离可调和反应速度快等特点，被越来越多的使用，如智能浴室镜柜的人体感应识别。一般感应雷达多采用矩形微带天线或阵列微带天线，对前瓣和背瓣基本不加控制措施，仅以调节触发阈值的方式进行权宜调节，以满足基本使用要求，但同时带来自激、误触发或控制区域不清晰等问题。所以多数感应依旧使用传统的红外发射/接收传感器，但对安装要求高，作用覆盖有限，易受到环境杂散光的干扰。同时，在浴室镀膜玻璃镜使用上，由于镜面镀银层的屏蔽反射作用，感应雷达几乎无法直接应用，受到家电感应雷达的成本限制，一般感应雷达多采用矩形微带天线或阵列微带天线，对前瓣、背瓣基本不加控制措施，仅以调节触发阈值的方式进行权宜调节，以满足基本使用要求，但同时带来自激、误触发或控制区域不清晰等问题。所以智能卫浴感应场景，依旧使用传统的红外发射/接收传感器，但对安装要求高，作用覆盖有限，易受到环境杂散光的干扰。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种融合雷达射频感应和异质界面耦合技术的装置和方法，利用雷达模块的动目标识别功能，加上在空间设计上实现信号叠加增强，从而克服雷达应用时异质材料的干扰。

具体的，本发明所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置，至少包括：

设置于异质界面内表面具有金属特性的电磁超表面图案阵列天线，所述电磁超表面图案阵列天线包括Tx天线和Rx天线；在所述电磁超表面图案阵列天线的周围粘接有固定模块，所述固定模块包含固定底框和固定架；所述固定模块与所述电磁超表面图案阵列天线共同形成一个半封闭式的电磁波谐振空腔区域；在所述电磁波谐振空腔区域中内置有用于辐射传导电磁波的高分子介质材料，和雷达射频感应控制系统。

其中，所述雷达射频感应控制系统，至少包括：与所述高分子介质材料紧密贴合的PCB板，及设置于所述PCB板上的射频雷达芯片，所述射频雷达芯片的Tx端口和Rx端口，通过耦合微电线分别连接所述PCB板上的Tx微带天线和Rx微带天线，在所述PCB板一边沿位置处设置有外部接口。

进一步的，所述固定模块为半封闭式样的可拆装结构，在所述外部接口所在侧设有开口，用于所述外部接口与外部电路通讯连接。

所述电磁超表面图案阵列天线，为按特定规律呈周期排列的特定文字和图案结构，通过激光加工工艺，在异质界面内表面直接加工而成；所述特定文字和图案，至少为字符，矩形，圆形和V型中的任一种或几种，但不限于此；所有异质界面内表面上的所述特定文字和图案的间隔宽度设置为0.2mm至0.8mm之间。

所述电磁超表面图案阵列天线的长边及宽边，与所述雷达微带天线的长边及宽边对应比例为1:1.2至1.8。

所述高分子介质材料，厚度取值为对应雷达射频波长的1/8至1/32之间，相对介电常数小于或等于3.5。

在所述高分子介质材料分别对应所述Tx微带天线和Rx微带天线位置处，开设辐射微型波导通孔，所述辐射微型波导通孔的直径取值为对应雷达射频波长的1/8至1/32之间；所述辐射微型波导通孔的圆心分别与所述Tx微带天线和Rx微带天线的边缘重叠对齐；所述辐射微型波导通孔垂直于所述PCB板平面。

作为另一优选的，本发明还提供了一种融合雷达射频感应和异质界面耦合方法，包括：

通过雷达射频感应控制系统的Tx微带天线以一预设周期发射高频电磁波，经过电磁波谐振空腔区域反复反射叠加增强后，经电磁超表面图案阵列天线的Tx天线，耦合发射至外部感应检测区域；当所述感应检测区域范围内出现活动或微动目标时，该电磁超表面图案阵列天线的Rx天线接收到所述活动或微动目标的反射波，再经过高分子介质材料，含辐射微型波导通孔，传导到雷达射频感应控制系统的Rx微带天线，所述雷达射频感应控制系统根据所述反射波进行双阈值控制逻辑，输出预设的控制指令。其中，所述电磁超表面图案阵列天线，为按特定规律呈周期排列的特定文字和图案结构，特定文字和图案至少为字符、矩形、圆形和V型中的一种。

其中，所述双阈值控制逻辑输出控制指令，包括：

S1：根据外部感应检测区域范围内的反射信息，判断是否存在活动目标，若活动目标检验值大于或等于第一程序阈值，则判断存在活动目标，外部接口输出高电平；同时，将活动目标检测阈值调至第二程序阈值，进入S2；否则，不存在动目标，转S3；

S2：启动微动作检测程序，判断微动目标是否持续存在，若微动目标检验值大于第二程序阈值，则判断为持续存在微动目标，外部接口持续输出高电平；否则，不存在微动目标，转S3；

S3：外部接口输出低电平，同时将第二程序阈值恢复到第一程序阈值。

其中，所述外部感应检测区域，为所述异质界面上雷达微带天线阵列所在面的反面一预设范围内区域。

综上所述，本发明提供一种融合雷达射频感应和异质界面耦合技术的装置和方法，通过雷达射频感应控制系统的Tx微带天线以一预设周期发射高频电磁波，经过电磁波谐振空腔区域反复反射叠加增强后，经电磁超表面图案阵列天线的Tx天线，耦合发射至外部感应检测区域；当所述感应检测区域范围内出现活动或微动目标时，该电磁超表面图案阵列天线的Rx天线接收到所述活动或微动目标的反射波，再经过高分子介质材料，传导到雷达射频感应控制系统的Rx微带天线，所述雷达射频感应控制系统根据所述反射波进行双阈值控制逻辑，输出预设的控制指令，提高雷达感应系统的感应和控制精度。

本发明的有益效果在于，可以有效解决异质界面的金属镀层，对高频雷达信号的屏蔽和背向反射问题，采用的电磁超表面图案阵列天线及天线结构设置有效提高了发射天线增益，提高了发射天线前瓣增益，控制了背瓣以及侧瓣强度，可消除误动作和提升稳定性，通过超表面天线结构使正面感应响应方位角度大于90度，识别区域增大。提升感应雷达在智能控制应用的可靠性，可以适应复杂电磁环境，提升感应灵敏度，减少背景噪声与误动作。

附图说明

图1为本发明所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置示意图。

图2为本发明所述的雷达射频感应控制系统的Tx微带天线和Rx微带天线示意图。

图3为本发明所述的电磁超表面图案阵列天线的外部感应检测覆盖范围示意图。

图4为电磁超表面图案阵列天线的Tx天线具体尺寸。

图5为本发明所述的在高分子介质材料开设的辐射微型波导通孔示意图。

图6为本发明所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合技术的控制方法流程图。

其中，1-异质界面；2-异质界面内表面的金属镀层；3-电磁超表面图案阵列天线（含Tx天线和Rx天线）；4-固定模块；5-高分子介质材料；6-辐射微型波导通孔；7-电磁波谐振空腔区域；8-PCB板；9-射频雷达芯片；10-Tx微带天线；11-Rx微带天线；12-金属保护镀层和电磁超表面图案阵列天线间的缝隙；13-耦合微电线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

如图1所示，本发明所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置，至少包括：

设置于异质界面内表面具有金属特性的电磁超表面图案阵列天线，所述电磁超表面图案阵列天线包括Tx天线和Rx天线；在所述电磁超表面图案阵列天线的周围粘接有固定模块，所述固定模块包含固定底框和固定架；所述固定模块与所述电磁超表面图案阵列天线共同形成一个半封闭式的电磁波谐振空腔区域；在所述电磁波谐振空腔区域中内置有用于辐射传导电磁波的高分子介质材料，和雷达射频感应控制系统。

其中，所述异质界面优选为镜子，或其他材料的面板，均不限于此。

所述雷达射频感应控制系统，至少包括：与所述高分子介质材料紧密贴合的PCB板，及设置于所述PCB板上的射频雷达芯片；如图2所示，所述射频雷达芯片的Tx端口和Rx端口，通过耦合微电线分别连接所述PCB板上的Tx微带天线和Rx微带天线；在所述PCB板一边沿位置处设置有外部接口。

进一步的，所述固定模块为半封闭式样的可拆装结构，在所述外部接口所在侧设有开口，用于所述外部接口与外部电路通讯连接。

所述电磁超表面图案阵列天线，为按特定规律呈周期排列的特定文字和图案结构，通过激光加工工艺，在异质界面内表面直接加工而成；所有异质界面内表面上的所述特定文字和图案的间隔宽度设置为0.2mm至0.8mm之间；如图3所示，采用电磁超表面图案阵列天线使外部感应检测区域的正面感应响应角度大于90度，识别区域增大，优选的，所述特定文字和图案结构，至少为字符，矩形，圆形和V型中的任一种或几种，但不限于此。

所述电磁超表面图案阵列天线的长边及宽边，与所述雷达微带天线的长边及宽边对应比例为1:1.2至1.8；所述电磁超表面图案阵列天线的Tx天线具体尺寸如图4所示。

所述高分子介质材料，厚度取值为对应雷达射频波长的1/8至1/32之间；优选的，所述高分子介质材料的相对介电常数小于或等于3.5，可选用PMMA、PC、PE高分子实体材料或发泡材料，但不限于此。

如图5所示，在所述高分子介质材料分别对应所述Tx微带天线和Rx微带天线位置处，开设辐射微型波导通孔，所述辐射微型波导通孔的直径取值为对应雷达射频波长的1/8至1/32之间；所述辐射微型波导通孔的圆心分别与所述Tx微带天线和Rx微带天线的边缘重叠对齐。所述辐射微型波导通孔垂直于所述PCB板平面。

作为另一优选的，如图6所示，本发明还提供了一种融合雷达射频感应和异质界面耦合方法，使用动态阈值策略，使得在识别人体移动的同时进一步识别包括上肢，头颅摇动的微动作，增加用户体验感，所述方法具体包括：

通过雷达射频感应控制系统的Tx微带天线以一预设周期发射高频电磁波，经过电磁波谐振空腔区域反复反射叠加增强后，经电磁超表面图案阵列天线的Tx天线，耦合发射至外部感应检测区域；当所述感应检测区域范围内出现活动或微动目标时，该电磁超表面图案阵列天线的Rx天线接收到所述活动或微动目标的反射波，再经过高分子介质材料，含辐射微型波导通孔，传导到雷达射频感应控制系统的Rx微带天线，所述雷达射频感应控制系统根据所述反射波进行双阈值控制逻辑，输出预设的控制指令。其中，所述电磁超表面图案阵列天线，为按特定规律呈周期排列的特定文字和图案结构，特定文字和图案至少为字符、矩形、圆形和V型中的一种。

其中，所述双阈值控制逻辑输出控制指令，包括：

S1：根据外部感应检测区域范围内的反射信息，判断是否存在活动目标，若活动目标检验值大于或等于第一程序阈值，则判断存在活动目标，外部接口输出高电平；同时，将活动目标检测阈值调至第二程序阈值，进入S2；否则，不存在动目标，转S3；

S2：启动微动作检测程序，判断微动目标是否持续存在，若微动目标检验值大于第二程序阈值，则判断为持续存在微动目标，外部接口持续输出高电平；否则，不存在微动目标，转S3；

S3：外部接口输出低电平，同时将第二程序阈值恢复到第一程序阈值。

其中，所述外部感应检测区域，为所述异质界面上雷达微带天线阵列所在面的反面一预设范围内区域。

以上所述实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置，其特征在于，至少包括：

设置于异质界面内表面具有金属特性的电磁超表面图案阵列天线，所述电磁超表面图案阵列天线包括Tx天线和Rx天线；在所述电磁超表面图案阵列天线的周围粘接有固定模块，所述固定模块包含固定底框和固定架；所述固定模块与所述电磁超表面图案阵列天线共同形成一个半封闭式的电磁波谐振空腔区域；在所述电磁波谐振空腔区域中内置有用于辐射传导电磁波的高分子介质材料，和雷达射频感应控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置，其特征在于，所述雷达射频感应控制系统，至少包括：与所述高分子介质材料紧密贴合的PCB板，及设置于所述PCB板上的射频雷达芯片，所述射频雷达芯片的Tx端口和Rx端口，通过耦合微电线分别连接所述PCB板上的Tx微带天线和Rx微带天线，在所述PCB板一边沿位置处设置有外部接口。

3.根据权利要求2所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置，其特征在于，所述固定模块为半封闭式样的可拆装结构，在所述外部接口所在侧设有开口，用于所述外部接口与外部电路通讯连接。

4.根据权利要求3所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置，其特征在于，所述电磁超表面图案阵列天线，为按特定规律呈周期排列的特定文字和图案结构，通过激光加工工艺，在异质界面内表面直接加工而成；所述特定文字和图案，至少为字符，矩形，圆形和V型中的任一种或几种；所有异质界面内表面上的所述特定文字和图案的间隔宽度设置为0.2mm至0.8mm之间。

5.根据权利要求4所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置，其特征在于，所述电磁超表面图案阵列天线的长边及宽边，与所述雷达微带天线的长边及宽边对应比例为1:1.2至1.8。

6.根据权利要求5所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置，其特征在于，所述高分子介质材料，厚度取值为对应雷达射频波长的1/8至1/32之间，相对介电常数小于或等于3.5。

7.根据权利要求6所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合装置，其特征在于，在所述高分子介质材料分别对应所述Tx微带天线和Rx微带天线位置处，开设辐射微型波导通孔，所述辐射微型波导通孔的直径取值为对应雷达射频波长的1/8至1/32之间；所述辐射微型波导通孔的圆心分别与所述Tx微带天线和Rx微带天线的边缘重叠对齐。

8.一种融合雷达射频感应和异质界面耦合方法，其特征在于，包括：

通过雷达射频感应控制系统的Tx微带天线以一预设周期发射高频电磁波，经过电磁波谐振空腔区域反复反射叠加增强后，经电磁超表面图案阵列天线的Tx天线，耦合发射至外部感应检测区域；当所述感应检测区域范围内出现活动或微动目标时，该电磁超表面图案阵列天线的Rx天线接收到所述活动或微动目标的反射波，再经过高分子介质材料，传导到雷达射频感应控制系统的Rx微带天线，所述雷达射频感应控制系统根据所述反射波进行双阈值控制逻辑，输出预设的控制指令。

9.根据权利要求8所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合方法，其特征在于，所述双阈值控制逻辑输出控制指令，包括：

S1：根据外部感应检测区域范围内的反射信息，判断是否存在活动目标，若活动目标检验值大于或等于第一程序阈值，则判断存在活动目标，外部接口输出高电平；同时，将活动目标检测阈值调至第二程序阈值，进入S2；否则，不存在动目标，转S3；

S2：启动微动作检测程序，判断微动目标是否持续存在，若微动目标检验值大于第二程序阈值，则判断为持续存在微动目标，外部接口持续输出高电平；否则，不存在微动目标，转S3；

S3：外部接口输出低电平，同时将第二程序阈值恢复到第一程序阈值。

10.根据权利要求9所述的一种融合雷达射频感应和异质界面耦合方法，其特征在于，所述外部感应检测区域，为所述异质界面上雷达微带天线阵列所在面的反面一预设范围内区域。

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