CN115296042A - 一种二维mimo阵列布阵方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维MIMO阵列布阵方法，包括以下步骤：对天线阵列进行参数初始化；将接收天线阵列设置为均匀微带贴片天线面阵，将接收天线阵列的阵元设置为相位中心可连续切换的重叠子阵，确定重叠子阵的个数，确定每个重叠子阵的横向与纵向贴片天线的个数及间距；将发射阵列设置为稀疏均匀面阵，确定发射天线阵列的横向与纵向阵元的个数及间距；构建接收天线阵列控制电路和发射天线阵列控制电路，进行相位中心连续电调；确定等效的虚拟收发阵元个数，生成等效虚拟均匀面阵；本发明通过引入相位中心可连续切换的重叠子阵技术，对二维MIMO阵列进行了优化设计，构造出了等效虚拟均匀面阵，进而可以提高系统的三维成像能力。

Description

一种二维MIMO阵列布阵方法

技术领域

本发明属于成像雷达技术领域，更具体的说是涉及一种二维MIMO阵列布阵方法。

背景技术

MIMO技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，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，被视为下一代通信的核心技术；MIMO雷达系统具有多输入和多输出的特点，且具有很高的图像获取速率；由于多发多收阵列可以等效成大孔径虚拟阵列，使MIMO雷达具有良好的横向分辨率。

MIMO三维成像雷达系统需要采用二维天线阵列实现三维成像，因此二维MIMO阵列设计是MIMO三维成像雷达的关键技术，对系统的性能和图像的质量有着决定性的作用。

传统的MIMO阵列布阵方法采用密集子阵列和稀疏子阵列的方式来构造发射阵列与接收阵列(密集子阵列作为发射阵列，稀疏子阵列作为接收阵列；反之亦然)，密集子阵列中的相邻阵元间距通常为半波长，稀疏子阵列相邻阵元间距为密集子阵列的阵元个数乘以半波长。这种布阵方法限制了密集子阵列阵元横向尺寸要小于半波长，从而限制了阵元增益。如要提高阵元增益，可增加阵元的纵向尺寸，即多个微带贴片通过串馈或并馈的方式连接在一起，构成一个阵元，阵元尺寸的纵向尺寸大于半波长，则无法在纵向上构成阵元间距为半波长的密集阵列，进而，无法构造二维MIMO阵列。

如收发阵列均采用稀疏分布方式，则生成的等效阵列存在孔洞，影响阵列的自由度。

因此，如何解决阵元尺寸与阵元间距之间的矛盾，突破阵元尺寸小于阵元间距的限制，构造出无孔洞的高增益等效均匀虚拟面阵，提高MIMO雷达的三维成像能力，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的二维MIMO阵列布阵方法，通过引入相位中心可连续切换的重叠子阵技术，对二维MIMO阵列进行了优化设计，构造出等效虚拟均匀面阵，进而可以提高雷达系统的三维成像能力。

本发明实施例提供一种二维MIMO阵列布阵方法，该方法包括以下步骤：

S1、对MIMO天线阵列进行参数初始化；

S2、将接收天线阵列设置为均匀微带贴片天线面阵，将所述接收天线阵列的阵元设置为相位中心可连续切换的重叠子阵，确定所述重叠子阵的个数，确定每个重叠子阵的横向与纵向贴片天线的个数及间距；

将发射阵列设置为稀疏均匀面阵，确定发射天线阵列的横向与纵向阵元的个数及间距；

S3、构建接收天线阵列控制电路和发射天线阵列控制电路，进行相位中心连续电调；

S4、确定等效的虚拟收发阵元个数，生成等效虚拟均匀面阵。

进一步地，所述步骤S1中具体包括：

S1.1、根据应用场景需求，确定MIMO阵列在横向与纵向上的角度扫描范围以及角度分辨率；

S1.2、确定需要生成的等效虚拟面阵的尺寸参数；

S1.3、根据雷达观测视场角，确定发射阵元和接收阵元的增益，确定构成发射阵元与接收阵元的尺寸。

进一步地，所述步骤S2中具体包括：

S2.1、将接收天线阵列设置为均匀微带贴片天线面阵，贴片天线的横向和纵向间距分别为d_RH与d_RV；

将所述接收天线阵列的阵元设置为相位中心可连续切换的重叠子阵；每个重叠子阵作为一个接收阵元，相邻重叠子阵可连续切换，重叠子阵分时工作；

确定每个重叠子阵的横向贴片天线个数K1与纵向贴片天线个数K2；确定横向重叠子阵个数N1与纵向重叠子阵个数N2；确定接收天线阵列的横向贴片天线个数L1与纵向贴片天线个数L2，其中，L1＝K1+N1-1，L2＝K2+N2-1；

S2.2、将发射阵列设置为稀疏均匀面阵；发射阵元采用喇叭天线或平面微带天线阵列；确定发射天线阵列的横向阵元数为M1与纵向阵元数为M2，横向阵元间距为N1*d_RH，纵向阵元间距为N2*d_RV。

进一步地，所述步骤S3中：所述接收阵列控制电路由接收阵列横向配置电路与接收阵列纵向配置电路构成，其中：

所述接收阵列横向配置电路的输入端接横向贴片天线，输出端接所述接收阵列纵向配置电路的输入端；

所述接收阵列横向配置电路由L1个低噪放LNA、L1个单刀单掷开关SPST及L1路合路器构成：

所述接收阵列横向配置电路中，所述低噪放LNA的输入端接所述横向贴片天线，所述低噪放LNA的输出端接所述单刀单掷开关SPST的输入端，所述单刀单掷开关SPST的输出端接所述L1路合路器的输入端；

所述接收阵列纵向配置电路由L2个低噪放LNA、L2个单刀单掷开关SPST及L2路合路器构成；

所述接收阵列纵向配置电路中，所述低噪放LNA的输入端接所述接收阵列横向配置电路的输出端，所述低噪放LNA的输出端接所述单刀单掷开关SPST的输入端，所述单刀单掷开关SPST的输出端接所述L2路合路器的输入端；所述L2路合路器的输出端接SMA连接器，连接至接收信道的输入端。

进一步地，所述步骤S3中：所述发射阵列控制电路由发射阵列横向配置电路与发射阵列纵向配置电路构成，其中：

所述发射阵列横向配置电路由第一单刀多掷开关SPNT与功率放大器PA构成；

所述发射阵列横向配置电路中，所述第一单刀多掷开关SPNT的公共输入端接所述发射阵列纵向配置电路的输出端；所述第一单刀多掷开关SPNT具有M1个独立输出端口，所述M1个独立输出端口接所述功率放大器PA的输入端；所述功率放大器PA的输出端接发射天线；

所述发射阵列纵向配置电路由第二单刀多掷开关SPNT构成；

所述发射阵列纵向配置电路中，所述第二单刀多掷开关SPNT的公共输入端接发射信道，所述第二单刀多掷开关SPNT具有M2个独立输出端口，所述M2个独立输出端口接所述发射阵列横向配置电路的输入端。

进一步地，所述步骤S4中：所述确定等效的虚拟收发阵元个数，生成等效虚拟均匀面阵，具体包括：

根据相位中心近似原理，确定所述等效的虚拟收发阵元位于发射阵元与接收阵元的中心处，确定横向的虚拟阵元个数为M1*N1，纵向的虚拟阵元个数为M2*N2，确定所述等效的虚拟收发阵元个数为(M1*N1)×(M2*N2)，生成等效虚拟均匀面阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明通过将接收天线阵列设置为均匀微带贴片天线面阵，将发射阵列设置为稀疏均匀面阵，并在接收天线阵列中引入相位中心可连续切换的重叠子阵技术，选取相位中心连续可调的重叠子阵作为有效接收阵元，进行相位中心连续电调，解决了阵元尺寸与阵元间距的矛盾问题，使得阵元的尺寸在横向与纵向上均可大于半波长，构造出无孔洞的高增益等效均匀虚拟面阵，可以实现等效虚拟面阵的连续孔径最大化，进而提高了MIMO雷达的三维成像能力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的一种二维MIMO阵列布阵方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的接收阵列及其相位中心分布示意图；

图3为本发明实施例提供的发射阵列及其相位中心分布示意图；

图4为本发明实施例提供的接收阵列横向配置电路示意图；

图5为本发明实施例提供的接收阵列纵向配置电路示意图；

图6为本发明实施例提供的发射阵列横向配置电路示意图；

图7为本发明实施例提供的发射阵列纵向配置电路示意图；

图8为本发明实施例提供的等效虚拟均匀面阵示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“接”和“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是通信连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供了一种二维MIMO阵列布阵方法，包括以下步骤：

S1、对MIMO天线阵列进行参数初始化；

S2、将接收天线阵列设置为均匀微带贴片天线面阵，将所述接收天线阵列的阵元设置为相位中心可连续切换的重叠子阵，确定所述重叠子阵的个数，确定每个重叠子阵的横向与纵向贴片天线的个数及间距；

将发射阵列设置为稀疏均匀面阵，确定发射天线阵列的横向与纵向阵元的个数及间距；

S3、构建接收天线阵列控制电路和发射天线阵列控制电路，进行相位中心连续电调；

S4、确定等效的虚拟收发阵元个数，生成等效虚拟均匀面阵。

下面分别对上述各个步骤进行详细的说明，本发明实施例整体方法如下：

在步骤1中，根据应用场景需求，先确定MIMO阵列成像在横向与纵向上的角度扫描范围以及角度分辨率。

确定横向的角度分辨率为Δθ和确定纵向的角度分辨率为Δφ；

进一步地，根据横向的角度分辨率Δθ和纵向的角度分辨率Δφ，确定为等效虚拟面阵的横向尺寸E_VH和等效虚拟面阵的纵向尺寸E_VV，计算方法如下：

其中λ为波长；

进一步地，确定横向与纵向的扫描角度范围为(-θ_max，θ_max)，(-φ_max，φ_max)；

确定发射阵元的横向纵向尺寸E_TH与纵向尺寸E_TV，计算方法如下：

θ_{3dB_T}为发射阵元天线在横向上的3dB波束宽度；φ_{3dB_T}为发射阵元天线在纵向上的3dB波束宽度；

确定接收阵元的横向纵向尺寸E_RH与纵向尺寸E_RV，计算方法如下：

θ_{3dB_R}为接收阵元在横向上的3dB波束宽度；φ_{3dB_R}为接收阵元在纵向上的3dB波束宽度；

在步骤2中，如图2所示，将接收天线阵列设置为均匀微带贴片天线面阵，贴片天线的横向和纵向间距分别为d_RH与d_RV；

在本实施例中，优选的，可以设置为d_RH＝d_RV，略大于单元贴片天线尺寸，略大于半波长。一般说来，d_RH与d_RV均可以设置为半波长(工作于窄带模式时)，但如果工作于宽带模式(成像雷达，收发信号均为宽带信号)，贴片天线尺寸会略大于半波长；为减小贴片天线之间的互耦，应进一步加大贴片天线之间的间距；但贴片间距过大(虽然仍小于

)会造成贴片天线阵的波束方向图性能恶化，波束旁瓣升高，抗旁瓣干扰能力变差。间距太大(如大于

)，会出现栅瓣。所以，在本实施例中，为扩展方便，便于做成模块化结构，优选的，设置为d_RH＝d_RV＝d，d略大于贴片天线尺寸，略大于半波长。

进一步地，将接收天线阵列的阵元设置为相位中心可连续切换的重叠子阵；每个重叠子阵作为一个接收阵元，相邻重叠子阵可连续切换，重叠子阵分时工作；

进一步地，确定每个重叠子阵的横向贴片天线个数K1与纵向贴片天线个数K2；确定横向重叠子阵个数N1与纵向重叠子阵个数N2；确定接收天线阵列的横向贴片天线个数L1与纵向贴片天线个数L2，其中，L1＝K1+N1-1，L2＝K2+N2-1

进一步地，相邻重叠子阵的相位中心在横向与纵向上的间距为d_RH与d_RV，根据如下公式计算：

如图3所示，将发射阵列设置为稀疏均匀面阵；发射阵元可采用喇叭天线或平面微带天线阵列；确定发射天线阵列的横向阵元数为M1与纵向阵元数为M2，横向阵元间距为N1*d_RH，纵向阵元间距为N2*d_RV。

在步骤3中，接收阵列控制电路由接收阵列横向配置电路与接收阵列纵向配置电路构成，其中：

接收阵列横向配置电路的输入端接横向贴片天线，输出端接接收阵列纵向配置电路的输入端，

如图4所示，接收阵列横向配置电路由L1个低噪放LNA、L1个单刀单掷开关SPST及L1路合路器构成：

接收阵列横向配置电路中，低噪放LNA的输入端接横向贴片天线，低噪放LNA的输出端接单刀单掷开关SPST的输入端，单刀单掷开关SPST的输出端接L1路合路器的输入端；在系统工作时，只有连续K1个支路工作，其他支路断开。

如图5所示，接收阵列纵向配置电路由L2个低噪放LNA、L2个单刀单掷开关SPST及L2路合路器构成；

接收阵列纵向配置电路中，低噪放LNA的输入端接接收阵列横向配置电路的输出端，低噪放LNA的输出端接单刀单掷开关SPST的输入端，单刀单掷开关SPST的输出端接L2路合路器的输入端；L2路合路器的输出端接SMA连接器，连接至接收信道的输入端；在系统工作时，只有连续K2个支路工作，其他支路断开。

在选中重叠子阵时，对应的接收阵列横向配置电路与接收阵列纵向配置电路的LNA电源闭合，单刀单掷开关SPST闭合；剩余的接收阵列横向配置电路与接收阵列纵向配置电路的LNA电源断开，单刀单掷开关SPST断开。

在步骤3中，发射阵列控制电路由发射阵列横向配置电路与发射阵列纵向配置电路构成，其中：

如图6所示，发射阵列横向配置电路由第一单刀多掷开关SPNT与功率放大器PA构成；

发射阵列横向配置电路中，第一单刀多掷开关SPNT的公共输入端(即发射阵列横向配置电路的输入端)接发射阵列纵向配置电路的输出端；第一单刀多掷开关SPNT具有M1个独立输出端口，M1个独立输出端口接功率放大器PA的输入端；功率放大器PA的输出端接发射天线；

如图7所示，发射阵列纵向配置电路由第二单刀多掷开关SPNT构成；

发射阵列纵向配置电路中，第二单刀多掷开关SPNT的公共输入端接发射信道，第二单刀多掷开关SPNT具有M2个独立输出端口，M2个独立输出端口接所述发射阵列横向配置电路的输入端。

在发射时，只有一个发射天线发射信号；发射阵列与接收阵列均工作于时分模式，解决了信号正交性问题。

在步骤4中，确定发射阵元与接收阵元的位置；距离最近的发射阵元(的相位中心)与接收阵元(的相位中心)间距在横向与纵向上的间距应满足：

d_TRH>(E_TH+E_RH)/2；d_TRV>(E_TV+E_RV)/2；

目的是使发射阵列与接收阵列在安装部署时，避免在位置上有重叠，冲突；尽量靠近，但不重叠。

进一步地，根据相位中心近似原理，等效的虚拟收发阵元位于发射阵元与接收阵元的中心处，当目标距离收发阵元较远时，近似成立，在近场时，需进行相位校准处理，进一步地，确定横向的虚拟阵元个数为M1*N1，纵向的虚拟阵元个数为M2*N2，并满足下方公式：

其中，运算符

表示向上取整数；以产生大的M1*N1，M2*N2，使得M1与N1尽可能相等，M2与N2尽可能相等，目的是，使MIMO扫描时间最短；确定等效的虚拟收发阵元个数为(M1*N1)×(M2*N2)，生成等效虚拟均匀面阵，生成的等效虚拟均匀面阵如图8所示。

本发明通过将接收天线阵列设置为均匀微带贴片天线面阵，将发射阵列设置为稀疏均匀面阵，并在接收天线阵列中引入相位中心可连续切换的重叠子阵技术，选取相位中心连续可调的重叠子阵作为有效接收阵元，构建接收天线阵列和发射天线阵列控制电路，进行相位中心连续电调，解决了阵元尺寸与阵元间距的矛盾问题，使得阵元的尺寸在横向与纵向上均可大于半波长，构造出无孔洞的高增益等效均匀虚拟面阵，可以实现等效虚拟面阵的连续孔径最大化，进而提高了MIMO雷达的三维成像能力。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种二维MIMO阵列布阵方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对MIMO天线阵列进行参数初始化；

S2、将接收天线阵列设置为均匀微带贴片天线面阵，将所述接收天线阵列的阵元设置为相位中心可连续切换的重叠子阵，确定所述重叠子阵的个数，确定每个重叠子阵的横向与纵向贴片天线的个数及间距；

将发射阵列设置为稀疏均匀面阵，确定发射天线阵列的横向与纵向阵元的个数及间距；

S3、构建接收天线阵列控制电路和发射天线阵列控制电路，进行相位中心连续电调；

S4、确定等效的虚拟收发阵元个数，生成等效虚拟均匀面阵。

2.如权利要求1所述的一种二维MIMO阵列布阵方法，其特征在于，所述步骤S1中具体包括：

S1.1、根据应用场景需求，确定MIMO阵列在横向与纵向上的角度扫描范围以及角度分辨率；

S1.2、确定需要生成的等效虚拟面阵的尺寸参数；

S1.3、根据雷达观测视场角，确定发射阵元和接收阵元的增益，确定构成发射阵元与接收阵元的尺寸。

3.如权利要求2所述的一种二维MIMO阵列布阵方法，其特征在于，所述步骤S2中具体包括：

S2.1、将接收天线阵列设置为均匀微带贴片天线面阵，贴片天线的横向和纵向间距分别为d_RH与d_RV；

将所述接收天线阵列的阵元设置为相位中心可连续切换的重叠子阵；每个重叠子阵作为一个接收阵元，相邻重叠子阵可连续切换，所述重叠子阵分时工作；

确定每个重叠子阵的横向贴片天线个数K1与纵向贴片天线个数K2；确定横向重叠子阵个数N1与纵向重叠子阵个数N2；确定接收天线阵列的横向贴片天线个数L1与纵向贴片天线个数L2，其中，L1＝K1+N1-1，L2＝K2+N2-1；

S2.2、将发射阵列设置为稀疏均匀面阵；发射阵元采用喇叭天线或平面微带天线阵列；确定发射天线阵列的横向阵元数为M1与纵向阵元数为M2，横向阵元间距为N1*d_RH，纵向阵元间距为N2*d_RV。

4.如权利要求3所述的一种二维MIMO阵列布阵方法，其特征在于，所述步骤S3中：所述接收阵列控制电路由接收阵列横向配置电路与接收阵列纵向配置电路构成，其中：

所述接收阵列横向配置电路的输入端接横向贴片天线，输出端接所述接收阵列纵向配置电路的输入端；

所述接收阵列横向配置电路由L1个低噪放LNA、L1个单刀单掷开关SPST及L1路合路器构成：

所述接收阵列横向配置电路中，所述低噪放LNA的输入端接所述横向贴片天线，所述低噪放LNA的输出端接所述单刀单掷开关SPST的输入端，所述单刀单掷开关SPST的输出端接所述L1路合路器的输入端；

所述接收阵列纵向配置电路由L2个低噪放LNA、L2个单刀单掷开关SPST及L2路合路器构成；

所述接收阵列纵向配置电路中，所述低噪放LNA的输入端接所述接收阵列横向配置电路的输出端，所述低噪放LNA的输出端接所述单刀单掷开关SPST的输入端，所述单刀单掷开关SPST的输出端接所述L2路合路器的输入端；所述L2路合路器的输出端接SMA连接器，连接至接收信道的输入端。

5.如权利要求4所述的一种二维MIMO阵列布阵方法，其特征在于，所述步骤S3中：所述发射阵列控制电路由发射阵列横向配置电路与发射阵列纵向配置电路构成，其中：

所述发射阵列横向配置电路由第一单刀多掷开关SPNT与功率放大器PA构成；

所述发射阵列横向配置电路中，所述第一单刀多掷开关SPNT的公共输入端接所述发射阵列纵向配置电路的输出端；所述第一单刀多掷开关SPNT具有M1个独立输出端口，所述M1个独立输出端口接所述功率放大器PA的输入端；所述功率放大器PA的输出端接发射天线；

所述发射阵列纵向配置电路由第二单刀多掷开关SPNT构成；

所述发射阵列纵向配置电路中，所述第二单刀多掷开关SPNT的公共输入端接发射信道，所述第二单刀多掷开关SPNT具有M2个独立输出端口，所述M2个独立输出端口接所述发射阵列横向配置电路的输入端。

6.如权利要求5所述的一种二维MIMO阵列布阵方法，其特征在于，所述步骤S4中：所述确定等效的虚拟收发阵元个数，生成等效虚拟均匀面阵，具体包括：

根据相位中心近似原理，确定所述等效的虚拟收发阵元位于发射阵元与接收阵元的中心处，确定横向的虚拟阵元个数为M1*N1，纵向的虚拟阵元个数为M2*N2，确定所述等效的虚拟收发阵元个数为(M1*N1)×(M2*N2)，生成等效虚拟均匀面阵。

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