CN115020977A - 一种天线阵列及雷达的探测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种天线阵列及雷达的探测方法，通过设置天线阵列包括：单元天线和耦合功分馈电网络，所述单元天线与所述耦合功分馈电网络连接；所述单元天线包括主馈天线和从馈天线；所述耦合功分馈电网络包括主馈段和从馈段，所述主馈段两端分别连接外部射频端口和所述主馈天线，所述从馈段和所述从馈天线连接；所述从馈段包括耦合段、调相段，所述耦合段与所述主馈段平行设置，所述调相段与所述耦合段连接，可以扩大应用于毫米波雷达的天线阵列的功分比范围，提升输出信号的范围和稳定性，简化天线阵列的结构。

Description

一种天线阵列及雷达的探测方法

技术领域

本发明涉及天线传输领域，尤其涉及一种天线阵列及雷达的探测方法。

背景技术

汽车毫米波角雷达的常用功能包括盲区检测(BSD)，变道辅助(LCA)， 后向横向穿行报警(RCTA)等。不同的功能对角雷达的视场角FOV有不同的 需求。雷达安装于车辆尾部时，雷达法向方向与车尾方向夹角为45°，雷达法 向方向平行于Y轴，为0°。对于变道辅助功能，要求后角雷达在雷达的-45° (即汽车的正后向)有较远的距离探测功能。对于后向横向穿行报警(RCTA) 功能，要求后角雷达在+45°方向(即汽车的横向方向)亦有较远的距离探测功 能。但是，为了减小行车道路场景下的虚假目标等问题，需要雷达在法线方向的 探测距离低于±45°的探测范围。为了能够实现上述功能，需要雷达的视场角 (FOV)在±45°方向有高增益的同时，在0°方向增益适当降低。因此需要有 异形波束赋形的微带天线。

针对异形波束赋形的天线阵列，需要组成各天线单元功分比变化较大的微 带天线阵列。这种天线阵列往往功分比超过1：5，较大时甚至达到1：10甚至 更大。但是，在77GHz毫米波雷达中，大功分比往往导致功分器线宽小于0.1mm， 这在PCB制作工艺上往往难以保证精度，且无法满足汽车电子的设计规范。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种天线阵列及雷达的探测方法，可以 扩大应用于毫米波雷达的天线阵列的功分比范围，提升输出信号的范围和稳定 性，简化天线阵列的结构。

为了达到上述申请的目的，本申请提供了一种天线阵列，该天线阵列可应用 于对毫米波雷达的异形波束赋形，该天线阵列包括：

单元天线和耦合功分馈电网络，所述单元天线与所述耦合功分馈电网络连 接；

所述单元天线包括主馈天线和从馈天线；

所述耦合功分馈电网络包括主馈段和从馈段，所述主馈段两端分别连接外 部射频端口和所述主馈天线，所述从馈段和所述从馈天线连接；

所述从馈段包括耦合段、调相段，所述耦合段与所述主馈段平行设置，所述 调相段与所述耦合段连接。

另一方面，本申请还提供一种雷达的探测方法，所述雷达包括上述天线阵列， 所述方法包括：

利用振荡器产生振荡信号，并将所述振荡信号发送给主馈段；

利用耦合段和调相段对所述主馈段接收的所述振荡信号进行耦合和调相处 理，形成天线方向图；

当目标物体对辐射的信号进行反射，生成反射信号时，接收所述反射信号；

根据所述发射信号和所述反射信号对目标物体进行探测。

实施本申请，具有如下有益效果：

本申请通过设置天线阵列包括：单元天线和耦合功分馈电网络，所述单元天 线与所述耦合功分馈电网络连接；所述单元天线包括主馈天线和从馈天线；所述 耦合功分馈电网络包括主馈段和从馈段，所述主馈段两端分别连接外部射频端 口和所述主馈天线，所述从馈段和所述从馈天线连接；所述从馈段包括耦合段、 调相段，所述耦合段与所述主馈段平行设置，所述调相段与所述耦合段连接，可 以扩大应用于毫米波雷达的天线阵列的功分比范围，提升输出信号的范围和稳 定性，简化天线阵列的结构。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中 所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请 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它附图。

图1为本申请实施例提供的一种天线阵列侧视图；

图2为本申请实施例提供的一种天线阵列的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种耦合功分馈电网络2的结构示意图；

图4为本申请另一实施例提供的一种天线阵列的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种从馈段的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种雷达的探测方法的流程示意图；

图7为本申请实施例提供的一种马鞍型方向图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本 申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第 一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后 次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发 明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语 “包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例 如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清 楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、 方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了实现本申请的技术方案，让更多的工程技术工作者容易了解和应用本 申请，将结合具体的实施例，进一步阐述本申请的工作原理。

天线是一种用以发射和接收电磁能量的设备。天线可以根据自身的方向图 特性来接收空间中来自各个方向的信号，相当于一个空间滤波器。由多个单元 按一定方式组成天线阵列可以实现天线的方向图能够扫描或使其具有其他特殊 性能。赋性波束天线阵列可以应用于雷达、导航、通信等领域，天线阵列可以 通过阵元的幅度、相位、阵元位置等参数，使天线阵的方向图满足一定要求， 如在某处形成预设深度的零点，增益达到预设值或天线阵列的功分比达到预设 比值等。

本申请可应用于毫米波雷达领域，例如，汽车的常用功能包括BSD (Blind SpotDetection，盲区检测)、LCA(Lane Change Assist，变道辅助)以 及RCTA(Rear CrossTraffic Alert，后向横向穿行报警)等功能中，不同的功 能对角雷达即毫米波雷达的视场角有不同的需求，角雷达安装于车辆尾部时， 角雷达法向方向与车尾方向夹角为45°，角雷达法向方向平行于Y轴时，与 车尾方向夹角0°；对于变道辅助功能，要求后角雷达在雷达的-45°(即车辆 的正后向)有较远的距离探测功能，对于后向横向穿行报警功能，要求后角雷 达在+45°方向(即车辆的横向方向)也有较远的距离探测功能。这需要角雷 达的天线阵列幅度相位可调范围大，同时要求天线阵列的功分比可调范围大， 从而可以满足产生波束拥有较高增益，损耗小，传输距离远且稳定。

本申请实施例中的异形波束赋形天线阵列为应用于77GHz毫米波雷达的微 带天线阵列，微带天线是一种形状固定的金属贴片，是在一个介质层(如聚四 氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀 等方法制作出一定形状的金属贴。图1为天线阵列侧视图，示出了一种天线板 的叠层结构，由图1所示，天线阵列包括天线覆铜板01、介质层02和地层覆 铜层03，地层覆铜层03为接地板，天线覆铜板01上可以利用光刻腐蚀等方法 制作出一定形状的金属贴片。

以下介绍本申请一种天线阵列的实施例，图2示出了第一个实施例中天线 阵列的主视结构图，如图2所示，该天线阵列可以包括单元天线1和耦合功分 馈电网络2。单元天线1可以是利用光刻腐蚀等方法制作的一定形状的金属贴 片，用于传输外部射频端口进入的发射信号，耦合功分馈电网络2在天线阵列 中用于将传输的发射信号按照一定的幅度分布和相位梯度馈送给天线阵列上的 单元天线1，以使两个单元天线的辐射信号在空间形成异形波束。耦合功分馈 电网络2和单元天线1共面，便于一起进行光刻，制作简便。

图2所示的天线阵列的结构示意图中，单元天线1与耦合功分馈电网络2 连接。单元天线1包括主馈天线11和从馈天线12。耦合功分馈电网络2包括 主馈段21和从馈段22，主馈段21两端分别连接外部射频端口和主馈天线 11，从馈段22和从馈天线12连接。图3是本申请实施例提供的一种耦合功分 馈电网络2的结构示意图，如图3所示，从馈段22可以包括耦合段221和调 相段222，耦合段221和主馈段21平行设置，调相段222与耦合段221连接。耦合功分馈电网络2中，主馈段21和从馈段12之间不直接接触而进行功率能 量传递，主馈段21直接与芯片连接，接收到芯片传输的发射信号，从馈段22 利用耦合段221分走主馈段21上的部分发射信号。调相段222用于对耦合段 221和主馈段21之间相位差△φ进行调整，调整范围为360°，调相段222的 长度改变时，相位发生相应改变。

具体的，主馈天线11包括主馈天线馈线和主馈贴片，主馈贴片分布于主 馈天线馈线两侧，从馈天线12包括从馈天线馈线和从馈贴片，从馈贴片分布 于从馈天线馈线两侧，主馈贴片和从馈贴片分别是主馈天线馈线和从馈天线馈 线上梳齿状的贴片。利用天线馈线和耦合功分馈电网络对贴片进行馈电，可以 是先通过耦合功分馈电网络对接收的能量进行分配，再通过天线馈线将能量分 配给各个贴片。

优选的，主馈段21的长度L1≥λg，耦合段221的长度L2符合条件λg/4 ＜L2＜L1，主馈段21与耦合段221的边缘间距d≤λg，其中，λg为介质波 长。当其余参数不变时，随着耦合段221的长度L2的减小，天线阵列的功分 比呈现震荡式下降。主馈段21的长度L1≥λg使得主馈天线11和从馈天线12 的相位差形成360度。耦合段221的长度L2在λg/4～L1，主馈段21与耦合段 221的边缘间距d在λg以内进行调整时，可以改变天线阵列的功分比，本申请 中天线阵列的功分比是1:1～1:20上的数值，例如，当耦合段221的长度L2接 近λg/4时，天线阵列的功分比可以达到接近1:20。

本申请实施例中，主馈段21与耦合段221的边缘间距d满足PCB (Printed CircuitBoard，印制电路板)加工的最小工艺限制。

在另外的实施例中，该天线阵列可以包括单元天线1和耦合功分馈电网络 2。单元天线1与耦合功分馈电网络2连接。单元天线1包括主馈天线11和从 馈天线12，主馈天线11和从馈天线12可以平行设置。耦合功分馈电网络2包 括主馈段21和从馈段22，主馈段21两端分别连接外部射频端口和主馈天线 11，从馈段22和从馈天线12连接。从馈段22可以包括耦合段221和调相段 222，耦合段221和主馈段21平行设置，调相段222与耦合段221连接。如图 4所示，从馈段22还可以包括桥接段223，主馈段21与耦合段221通过桥接 段223进行连接。桥接段223用于提高主馈段21与耦合段221之间的耦合效 率，当耦合段221长度的长度较短时，桥接段223的设置可以将天线阵列的功 分比提高至1:1。

具体的，桥接段223与耦合段221下方边缘的距离p不超过λg，通过设置 桥接段223与耦合段221下方边缘的距离p，调整天线阵列的功分比。其中， 桥接段223与耦合段221下方边缘的距离越短，天线阵列的功分比越高，例 如，桥接段223由耦合段221下方边缘位置，改变至距离耦合段221下方边缘 1/2耦合段221的长度L2时，天线阵列的功分比可以由1:1变为1:20。桥接段 223的线宽为0.05λg～0.1λg。

在一些实施例中，从馈天线12至少为两条，从馈段22包括与从馈天线12 数量相等的从馈段。以两条从馈天线为例，图5示出了从馈天线12数量为两 条时从馈段的结构示意图，天线阵列中的从馈段也为两条，分别为22a和 22b，从馈段22可以设置在主馈段21的两侧，这样的设置可以使一条从馈天 线12与主馈天线11的相位差形成180度，另外一侧的从馈天线12与主馈天 线11的相位差也形成180度。

具体的，与从馈天线12数量相等的从馈段22的耦合段221分别通过桥接 段223与主馈段21连接。

在一些实施例中，单元天线1的天线形式可以包括梳状天线阵列、矩形天 线阵列、城墙线阵列、圆极化圆形贴片阵列、变化极贴片阵列、背馈圆形贴片 阵列或交叉馈电圆极化阵列等微带天线阵列。

以下介绍本申请一种雷达的探测方法的实施例，图6是本申请实施例提供 的一种雷达的探测方法的流程示意图，本说明书提供了如实施例或流程图所述 的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操 作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不 代表唯一的执行顺序。具体的，如图6所示，该方法可以包括：

S101：利用振荡器产生振荡信号，并将振荡信号发送给主馈段。

本申请的天线阵列可以应用于对毫米波雷达的FOV(field of view，视场 角)设计。先由毫米波雷达利用振荡器产生振荡信号，并将该振荡信号发送给 主馈段。

S103：利用耦合段和调相段对主馈段接收的振荡信号进行耦合和调相处 理，基于预设天线阵列参数形成预设天线方向图的发射信号。

具体的，先由毫米波雷达利用振荡器产生振荡信号，可以是先通过天线阵 列中耦合功分馈电网络对接收的能量进行分配，再通过天线馈线将能量分配给 各个贴片，基于预设天线阵列参数形成预设天线方向图的发射信号。

S105：当目标物体对辐射的发射信号进行反射，生成反射信号时，接收反 射信号。

利用雷达上天线阵列中的主馈天线对第一目标信号进行辐射，利用从馈天 线对第二目标信号进行辐射，由此，雷达可以向目标方向辐射目标角度、目标 距离的信号。

S107：根据发射信号和反射信号对障碍物进行探测。

具体的，若障碍物为运动物体，则反射信号中附加了与障碍物运动速度成 正比的多普勒频率，结合振荡信号可以计算出障碍物与当前雷达的距离与速 度。若障碍物为静止物体，对振荡信号和反射信号进行计算，可以确定障碍物 与当前雷达的距离。

本申请的实施例提供按照功分比为1:5，相位差为180°的要求，实施本申 请得到的马鞍型方向图(实线所示为本申请的实施结果，虚线所示为传统梳状 天线方向图)，由该图7可知，马鞍型方向图在±45°上实现较高的增益，在0° 增益与±45°增益差为5dB。通过与传统微带天线方向图的比较(虚线所示)可 以发现，在±45°方向上，马鞍型方向图比传统梳状天线增益能够提升至少3dB， 同时0°增益下降较小，保证雷达0°探测能力，能够更好地实现角雷达LCA与 RCTA功能，同时0°增益下降较小，保证雷达0°探测能力。

上述的实施例可以看出，本申请通过设置天线阵列包括：单元天线和耦合功 分馈电网络，所述单元天线与所述耦合功分馈电网络连接；所述单元天线包括主 馈天线和从馈天线；所述耦合功分馈电网络包括主馈段和从馈段，所述主馈段两 端分别连接外部射频端口和所述主馈天线，所述从馈段和所述从馈天线连接；所 述从馈段包括耦合段、调相段，所述耦合段与所述主馈段平行设置，所述调相段 与所述耦合段连接，可以扩大应用于毫米波雷达的天线阵列的功分比范围，提升 输出信号的范围和稳定性，简化天线阵列的结构。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明 的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出 公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多 个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分 组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成 反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的 特征更多的特征。更确切地说，如本发明的权利要求书所反映的那样，发明方面 在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要 求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的 单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适 应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实 施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它 们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的 至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、 摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或 单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附 图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的实施例包括其它实施例 中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处 于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中， 所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备 或者系统程序(如计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以 存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号 可以从因特网网站上下载得到，也可以在载体信号上提供，或者以任何其他形式 提供。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制， 并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施 例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限 制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或者步骤等。位于元件之 前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括 有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系 统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体 现。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名 称。

Claims (10)

1.一种天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括：

单元天线和耦合功分馈电网络，所述单元天线与所述耦合功分馈电网络连接；

所述单元天线包括主馈天线和从馈天线；

所述耦合功分馈电网络包括主馈段和从馈段，所述主馈段两端分别连接外部射频端口和所述主馈天线，所述从馈段和所述从馈天线连接；

所述从馈段包括耦合段和调相段，所述耦合段与所述主馈段平行设置，所述调相段与所述耦合段连接。

2.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述主馈天线包括主馈天线馈线和主馈贴片，所述从馈天线包括从馈天线馈线和从馈贴片。

3.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述主馈段的长度不小于介质波长，所述耦合段的长度小于所述主馈段的长度并且大于四分之一介质波长，所述主馈段与所述耦合段的边缘间距小于或等于介质波长。

4.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述从馈段还包括桥接段，所述主馈段与所述耦合段通过所述桥接段进行连接。

5.根据权利要求4所述的天线阵列，其特征在于，所述桥接段与所述耦合段下方边缘的距离不超过介质波长。

6.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述从馈天线至少为两条；

所述从馈段包括与所述从馈天线数量相等的从馈段。

7.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，所述与所述从馈天线数量相等的从馈段的耦合段分别通过桥接段与所述主馈段连接。

8.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述单元天线的阵列形式包括梳状天线阵列、矩形天线阵列、城墙线阵列、圆极化圆形贴片阵列、变化极贴片阵列、背馈圆形贴片阵列或交叉馈电圆极化阵列。

9.一种雷达的探测方法，其特征在于，所述雷达包括所述权利要求1-7任一项所述的天线阵列，所述方法包括：

利用振荡器产生振荡信号，并将所述振荡信号发送给主馈段；

利用耦合段和调相段对所述主馈段接收的所述振荡信号进行耦合和调相处理，基于预设天线阵列参数形成预设天线方向图的发射信号；

当目标物体对所述发射信号进行反射，生成反射信号时，接收所述反射信号；

根据所述发射信号和所述反射信号对目标物体进行探测。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述天线阵列参数包括：

天线阵列的幅度相位配比。

Images