CN117423994A - 一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，属于毫米波雷达天线技术领域。该雷达天线主要包括：发射天线，其天线元合路由n个贴片串联组成，其中，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的激励功率幅度比为第一比例，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的相位配置为第二比例，发射天线的各天线元合路在方位向上的激励功率幅度比为第三比例，发射天线的各天线元合路在方位向上的相位配置为第四比例；接收天线；寄生天线；其中，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的激励功率幅度比为第五比例，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的相位配置为第六比例。本申请能够解决普通交通雷达天线高增益和宽波束的矛盾。

Description

一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线
技术领域
本申请涉及毫米波雷达天线技术领域，特别涉及一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线。
背景技术
近年来，毫米波雷达在智能交通行业中的应用越来越广泛和深入，随之而来的对毫米波雷达的功能和性能也有越来越多和越来越高的要求。图1是交通检测雷达实际应用场景波束覆盖示意图，如图1所示，在高位置安装的交通检测雷达为了拥有更优良的工作性能，其对雷达天线的波束会有特定的覆盖要求，这就限制了交通检测雷达必须达到相应的参数需求。因此，交通检测雷达需要在车辆距离雷达较远的远区具有增益高、波束窄，即φ1小的性能；在车辆距离雷达较近的近区具有增益低、波束宽，即φ2大的性能；且交通检测雷达的波束能够向下倾并集中覆盖雷达法向下方朝向的道路所在的空域。天线是雷达进行空口联系的唯一器件，其设计优劣对毫米波雷达的整机性能影响很大。
现有技术的雷达天线在配合交通检测雷达进行使用时，其使得雷达所覆盖的远区的距离较短，因此需要提高雷达天线的峰值增益；同时，其使得雷达所覆盖的近区距离过远，这则需要拓宽雷达天线的波束宽度。但根据天线理论，在实际应用时无法同时满足提高雷达天线的峰值增益和拓宽雷达天线的波束宽度，这是因为增益和波束宽度是反比例关系，即天线增益越高、波束宽度越窄。因此，现有雷达可检测距离范围无法满足交通检测雷达实际应用场景需求。
发明内容
针对现有技术存在的天线无法使得雷达满足性能参数的问题，本申请主要提供一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线。
为了实现上述目的，本申请采用的一个技术方案是提供一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其包括：发射天线，其进行信号发射且发射天线的天线元合路由n个贴片串联组成，其中，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的激励功率幅度比为第一比例，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的相位配置为第二比例，发射天线的各天线元合路在方位向上的激励功率幅度比为第三比例，发射天线的各天线元合路在方位向上的相位配置为第四比例；接收天线，其在进行信号接收，其中，接收天线的每个天线阵元由m个贴片串联组成；寄生天线，其进行信号的拓展接收，且每个寄生天线的天线阵元由m个贴片串联组成；其中，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的激励功率幅度比为第五比例，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的相位配置为第六比例，n和m均为大于0的整数。
可选的，满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线包括六路天线元合路，六路天线元合路中每三路组成一个发射天线。
可选的，接收天线包括4路天线阵元，且接收天线的各天线阵元之间采用不等间距分布原则。
可选的，寄生天线包括5路天线阵元，且寄生天线的天线阵元与接收天线的天线阵元之间采用不规则的间隔分布。
可选的，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的第一比例为1：3.5：3.5：1，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的第二比例为0°：-45°：45°：0°，发射天线的各天线元合路在方位向上的第三比例为1：2：1，发射天线的各天线元合路在方位向上的第四比例为-60°：0°：-60°。
可选的，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的第五比例为1：2：6：6：2：1，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的第六比例为0°：-21°：-3°：23°：41°：20°。
可选的，通过增加接收天线和寄生天线的各个天线阵元的串联贴片的个数，增大满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线在俯仰向上的信号接收口径。
可选的，通过调节满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线的从外馈电激励位置到各贴片的馈线长度或各天线阵元的馈线长度，实现发射天线和接收天线的相位配置调节。
可选的，通过改变贴片宽度，实现发射天线和接收天线在俯仰向上的激励功率幅度比的调节，且贴片宽度越宽激励幅度越大。
可选的，通过调节功分器的功分，实现发射天线在方位向上的激励功率幅度比的调节。
本申请的技术方案可以达到的有益效果是：通过优化天线口径和合理配置收发天线俯仰面上的贴片数目和方位面上的天线元的数目，解决了普通交通雷达天线高增益和宽波束的矛盾，同时本申请通过将贴片阻抗调节和功分器设计结合，实现收发天线俯仰面上的贴片和方位面天线元的激励幅相配置，满足天线增益方向图的特定空域波束覆盖需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是交通检测雷达实际应用场景波束覆盖示意图；
图2是实际应用场景中覆盖特定空域所需要的包络曲线图；
图3是现有技术中的雷达天线的结构示意图；
图4是现有雷达天线的8个收发通道在方位面的增益方向图；
图5是现有雷达天线的8个收发通道在俯仰面的增益方向图；
图6是本申请一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线的一个具体实施方式的示意图；
图7是本申请一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线的8个收发通道方位面增益方向图；
图8是本申请一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线的8个收发通道俯仰面增益方向图。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的较佳实施例进行详细阐述，以使本申请的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本申请的保护范围做出更为清楚明确的界定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种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、物品或者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，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面，以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面述及的具体的实施例可以相互结合形成新的实施例。对于在一个实施例中描述过的相同或相似的思想或过程，可能在其他某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
根据道路实际情况，交通检测雷达距离地面的安装高度通常在2-8m，在实际应用中，通常需要交通检测雷达可以满足以下条件：覆盖约30m宽的8车道、其近区的检测距离不大于20m、其远区的检测距离不小于200m。图1是交通检测雷达实际应用场景波束覆盖示意图，为使交通检测雷达满足图1所示的应用场景且能够满足上述所限制的空域覆盖的需求，雷达天线的波束形状必须进行特殊设计。
以工作频率为24.125GHz的雷达为例，将其架高8m、在限制其远距范围为200m、近距范围为10m以及覆盖宽度为8车道时，其雷达天线的收发双程增益方向图在方位面和俯仰面所需覆盖的特定的包络曲线如图2所示。
图3是现有技术中的雷达天线的结构示意图，如图3所示，现有雷达天线结构的阵面采用2Tx4Rx布局，即现有的雷达天线共有8个收发通道。现有雷达天线为了提高测角精度，接收天线的相邻阵元采用不等间距布置，并通过在接收天线旁边布置5个寄生天线以改善雷达天线的接收方向图的一致性。现有雷达天线的接收天线采用4个贴片在俯仰串馈上并在中心馈电、发射天线上采用2根4贴片串馈贴片天线。因此，现有技术中的雷达天线在不需要做特定波束覆盖的应用场景下，能够很好地兼顾天线增益和波束覆盖。
图4是现有雷达天线的8个收发通道在方位面的增益方向图，图5是现有雷达天线的8个收发通道在俯仰面的增益方向图。如图4和图5所示是现有雷达天线的各双程通道在方位面和俯仰面的增益方向图和所需特定波束覆盖包络曲线符合情况，现有雷达天线在方位面和俯仰面的增益方向图均未将上述应用场景所需要的包络曲线完整覆盖，即现有雷达天线在方位面为±15°和俯仰面为0~8°时，其空域范围天线增益偏低，也就是说现有天线的可检测的远区距离小于200m。并且，现有天线在俯仰面不小于30°时，其空域范围天线增益偏低，这说明现有天线的可检测的近区距离大于10m。
综上所述，现有天线的远区距离不够，其需要提高峰值增益，同时，现有天线的近区距离过远，其需要展宽波束宽度。但根据天线理论这两者之间是相互矛盾的，因为天线的增益和波束宽度之间是反比例关系，即天线增益越高天线的波束宽度越窄。因此，现有雷达可检测距离范围无法满足上述的特定的应用场景需求。基于上述问题本申请提出一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，解决在实际特殊应用场景中的雷达天线性能需求。
图6示出了本申请一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线的一个实施方式。
图6所示的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，包括：一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其包括：发射天线，其进行信号发射且发射天线的天线元合路由n个贴片串联组成，其中，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的激励功率幅度比为第一比例，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的相位配置为第二比例，发射天线的各天线元合路在方位向上的激励功率幅度比为第三比例，发射天线的各天线元合路在方位向上的相位配置为第四比例；接收天线，其在进行信号接收，其中，接收天线的每个天线阵元由m个贴片串联组成；寄生天线，其进行信号的拓展接收，且每个寄生天线的天线阵元由m个贴片串联组成；其中，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的激励功率幅度比为第五比例，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的相位配置为第六比例，n和m均为大于0的整数。
该具体实施方式，优化了收发天线俯仰面贴片和方位面天线元的数目配置，解决了天线高增益和宽波束的矛盾问题，优化配置收发天线俯仰面贴片和方位面天线元的激励幅相，设计出具有特定空域覆盖的增益方向图，同时通过结合贴片阻抗调节和功分器设计，可以更好地将激励收发天线俯仰面贴片和方位面天线元的幅相实现，使天线增益方向图最终满足实际应用场景的特定空域覆盖需求。
在本申请的一个具体实施例中，满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线包括六路天线元合路，六路天线元合路中每三路组成一个发射天线。
在本申请的一个具体实施例中，接收天线包括4路天线阵元，且接收天线的各天线阵元之间采用不等间距分布原则。
在本申请的一个具体实施例中，寄生天线包括5路天线阵元，且寄生天线的天线阵元与接收天线的天线阵元之间采用不规则的间隔分布。
具体的，为了解决现有雷达在前述应用场景中的性能不足问题，本申请提出一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线。且本申请在进行设计时，为了让雷达系统的其它组件免于重新修改设计，仍然采用2Tx4Rx的天线阵列布局且阵面整体尺寸不变、毫米波雷达芯片和数字信号处理方式也完全相同。
解决现有雷达在特定场景中应用时的参数不满足应用条件的问题，其关键是如何解决提高天线增益和展宽波束宽度的矛盾。本申请通过设计如图6所示的雷达天线，解决这一问题。
如图6所示，本申请的雷达天线包括由Tx1和Tx2组成的两路发射天线和由Rx1、Rx2、Rx3和Rx4组成的四路接收天线，以及五路寄生天线。
关于发射天线，其Tx1和Tx2的分布方式和参数设置相同，因此，此处以Tx1为例进行发射天线的内容介绍。本申请的Tx1发射天线，在方位向上分布有VT1、VT2、VT3和VT44个贴片，在俯仰向上分布有HT1、HT2和HT33根天线元合路，且每个天线元合路在方位向上均分布有4个贴片。并且本申请的VT1、VT2、VT3和VT4的激励功率幅度的比值为第一比例，VT1、VT2、VT3和VT4的相位配置比值为第二比例，HT1、HT2和HT33的激励功率幅度的比值为第三比例，HT1、HT2和HT33的相位配置的比值为第四比例。优选的，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的第一比例为1：3.5：3.5：1，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的第二比例为0°：-45°：45°：0°，发射天线的各天线元合路在方位向上的第三比例为1：2：1，发射天线的各天线元合路在方位向上的第四比例为-60°：0°：-60°。其中，在发射天线俯仰面采用VT1至VT4 4个贴片串联，且在方位面用HT1至HT3 3根天线元合路，能够增大雷达天线在方位面上的口径，以提高发射天线增益。同时通过对3根天线元合路的激励幅度进行特别设计完成波束赋形，能够确保雷达天线在方位面的空域覆盖面积，使雷达天线的方位面波束可以完全覆盖应用场景的包络曲线。特别的，本申请的俯仰向上的贴片数量和方位面上的天线元合路数量均为示意性的，在实际应用中其数目也可以是其他数量。
关于接收天线和寄生天线，在方位向上，接收天线和寄生天线均由VR1至VR6的6个贴片组成，在俯仰向上接收天线包括Rx1、Rx2、Rx3和Rx4这4路天线阵元，而寄生天线在俯仰向上包含5个天线阵元。接收天线的各天线阵元之间采用不等间距分布原则，且每个寄生天线的天线阵元与接收天线的天线阵元之间采用不规则的间隔分布，即如图6所示，Rx1和Rx2的两侧为一路寄生天线的天线阵元，且Rx1和Rx2中间间隔一路寄生天线的天线阵元，但Rx3和Rx2之间间隔两路寄生电容，且Rx3的另一侧直接布置Rx4，Rx4的另一侧为寄生天线的天线阵元。通过上述布置方式能够提高雷达的测角精度，和改善天线的接收方向图的一致性。
进一步的，本申请通过增加接收天线和寄生天线的各个天线阵元的串联贴片的个数，增大满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线在俯仰向上的信号接收口径。即接收天线采用VR1至VR6 的6个贴片串联，能够增大天线在俯仰向上的信号口径，从而提高接收天线的增益。
同时为了展宽天线在俯仰面的波束，本申请对6个贴片的激励功率幅度进行特别设计以调节天线在俯仰面上的波束使其倾向道路，从而减小雷达对天空的波束覆盖，同时本申请通过波束赋形，使俯仰面上的波束可以完全覆盖应用场景的包络曲线。其通过限制接收天线和寄生天线的每个天线阵元的串联贴片之间的激励功率幅度比满足第五比例，以及限制接收天线和寄生天线的每个天线阵元的串联贴片之间的相位配置满足第六比例来实现。优选的，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的第五比例VR1：VR2：VR3：VR4：VR5：VR6为1：2：6：6：2：1，接收天线和寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的第六比例VR1：VR2：VR3：VR4：VR5：VR6为0°：-21°：-3°：23°：41°：20°。
其中，接收天线的天线阵元Rx1、Rx2、Rx3和Rx4的参数设置相同，寄生天线的天线阵元的参数设置也相同，且接收天线和寄生天线的天线阵元均由m个贴片串联组成，其中m取值可以为6，也可以为其他值，且天线阵元的个数也可以为其他值。
在本申请的一个具体实施例中，通过调节满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线的从外馈电激励位置到各贴片的馈线长度或各天线阵元的馈线长度，实现发射天线和接收天线的相位配置调节。
在本申请的一个具体实施例中，通过改变贴片宽度，实现发射天线和接收天线在俯仰向上的激励功率幅度比的调节，且贴片宽度越宽激励幅度越大。
在本申请的一个具体实施例中，通过调节功分器的功分，实现发射天线在方位向上的激励功率幅度比的调节。
具体的，通过调节从外馈电激励位置到各贴片的馈线长度或各天线阵元的馈线长度、改变贴片宽度和调节功分器的各路的功分，能够调节天线适用于更多的实际应用场景。即依照上述的本申请的设计方法和思路，开发人员还可以设计出包括但不限梳状天线、缝隙天线的天线，和设计出其它具有类似特定空域波束覆盖的应用场景所需要的天线设计方案。
图7是本申请一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线的8个收发通道方位面增益方向图，图8是本申请一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线的8个收发通道俯仰面增益方向图。如图7和图8所示，本申请的雷达天线的8个双程收发通道在方位面上和俯仰面上增益方向图都很好地满足了上述特定应用场景波束覆盖包络的需求。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，包括：
发射天线，其进行信号发射且所述发射天线的天线元合路由n个贴片串联组成，其中，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的激励功率幅度比为第一比例，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的相位配置为第二比例，所述发射天线的各天线元合路在方位向上的激励功率幅度比为第三比例，所述发射天线的各天线元合路在方位向上的相位配置为第四比例；
接收天线，其在进行信号接收，且所述接收天线的每个天线阵元由m个贴片串联组成；
寄生天线，其进行信号的拓展接收，且每个所述寄生天线的天线阵元由m个贴片串联组成；
其中，所述接收天线和所述寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的激励功率幅度比为第五比例，所述接收天线和所述寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的相位配置为第六比例，n和m均为大于0的整数。
2.根据权利要求1所述的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，所述满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线包括六路发射天线的天线元合路，所述六路天线元合路中每三路组成一个所述发射天线。
3.根据权利要求1所述的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，所述接收天线包括4路天线阵元，且所述接收天线的各天线阵元之间采用不等间距分布原则。
4.根据权利要求1所述的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，所述寄生天线包括5路天线阵元，且所述寄生天线的天线阵元与所述接收天线的天线阵元之间采用不规则的间隔分布。
5.根据权利要求1所述的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的第一比例为1：3.5：3.5：1，每个天线元合路的贴片在俯仰向上的第二比例为0°：-45°：45°：0°，所述发射天线的各天线元合路在方位向上的第三比例为1：2：1，所述发射天线的各天线元合路在方位向上的第四比例为-60°：0°：-60°。
6.根据权利要求1所述的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，所述接收天线和所述寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的第五比例为1：2：6：6：2：1，所述接收天线和所述寄生天线对应的每个天线阵元的串联贴片之间的第六比例为0°：-21°：-3°：23°：41°：20°。
7.根据权利要求1所述的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，通过增加所述接收天线和所述寄生天线的各个天线阵元的串联贴片的个数，增大所述满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线在俯仰向上的信号接收口径。
8.根据权利要求1所述的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，通过调节所述满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线的从外馈电激励位置到各贴片的馈线长度或各天线阵元的馈线长度，实现所述发射天线和所述接收天线的相位配置调节。
9.根据权利要求1所述的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，通过改变贴片宽度，实现所述发射天线和所述接收天线在俯仰向上的激励功率幅度比的调节，且贴片宽度越宽激励功率幅度越大。
10.根据权利要求1所述的满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线，其特征在于，通过调节功分器的功分，实现所述发射天线在方位向上的激励功率幅度比的调节。
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