CN117480468A - 阵列天线及人机交互装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阵列天线及人机交互装置，属于通信技术领域。本发明的阵列天线，其包括M个第一阵元、N个第二阵元、至少一条第一链路和至少一条第二链路；其中，M≥2和/或，N≥2，且M和N均为正整数；其中，当M≥2时，至少两个第一阵元分别连接对应的第一开关单元；且电连接所述第一开关单元的所述第一阵元中的至少两个电连接同一第一链路；和/或，当N≥2时，至少两个第二阵元分别连接对应的第二开关单元；且电连接所述第二开关单元的所述第二阵元中的至少两个电连接同一第二链路。

Description

阵列天线及人机交互装置 技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种阵列天线及人机交互装置。

背景技术

非接触感知技术在人机交互领域发挥了越来越重要的作用，目前有多种方法可以实现非接触感知，包括机器视觉、超声、毫米波等。基于毫米波的感知因不受环境光影响、保护隐私、交互范围广成为技术和市场热点，而毫米波的分辨率与工作频率和天线阵元数密切相关。为了获得高的角度分辨率，最直接的办法就是增加天线阵元数，但带来的直接后果就是系统开销大。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种阵列天线及人机交互装置。

本公开实施例提供一种阵列天线，其包括M个第一阵元、N个第二阵元、至少一条第一链路和至少一条第二链路；其中，M≥2和/或，N≥2，且M和N均为正整数；其中，

当M≥2时，至少两个第一阵元分别连接对应的第一开关单元；且电连接所述第一开关单元的所述第一阵元中的至少两个电连接同一第一链路；和/或，

当N≥2时，至少两个第二阵元分别连接对应的第二开关单元；且电连接所述第二开关单元的所述第二阵元中的至少两个电连接同一第二链路。

其中，当M≥2时，各所述第一阵元电连接同一所述第一链路，且在每个所述第一阵元和所述第一链路之间电连接一个所述第一开关单元。

其中，当N≥2k，且k≥1时,两个所述第二阵元电连接一条所述第二链 路，不同的所述第二链路所连接的所述第二阵元不同；且在每个所述第二阵元和与之电连接的所述第二链路之间电连接一个所述第二开关单元。

其中，N个所述第二阵元沿第一方向由第1个到第N个依次排布；第i个和第i+N/2个第二阵元电连接同一所述第二链路；i取1～N/2。

其中，当N≥2k，且k≥2时,两个所述第二阵元电连接一条第一枝节，不同的所述第二支路所连接的所述第二阵元不同；且在每个所述第二阵元和与之电连接的所述第一支路之间电连接一个所述第二开关单元；所述第一枝节和与之对应的第二链接电连接，且至少两个所述第一枝节电连接同一所述第二链接；

对于电连接同一第二链路的所述第一枝节，每个所述第一枝节和与之电连接的所述第二链路上连接有第三开关单元。

其中，所述第三开关单元包括薄膜晶体管、微机电系统开关、光电二极管中的任一种。

其中，所述第一开关单元和所述第二开关单元均包括薄膜晶体管、微机电系统开关、光电二极管中的任一种。

其中，所述第一阵元和所述第二阵元均包括辐射贴片或者偶极子。

第二方面，本公开实施例提供一种人机交互装置，其包括上述任一所述的阵列天线。

其中，所述人机交互装置还包括：

数据处理模块，用于根据所述阵列天线发射的雷达信号和接收的回波信号确定人体动作和对应的控制指令，并输出所述控制指令；

显示模块，用于显示确定出的所述人体动作和/或所述控制指令。

其中，所述显示模块包括显示器，所述阵列天线集成在所述显示器中。

其中，所述显示器具有显示区和环绕所述显示区的周边区；所述阵列天线集成在所述周边区。

其中，所述周边区包括沿第一方向相对设置的第一区域和第二区域，以及沿第三方向相对设置的第三区域和第四区域；M≥2，N≥2；所述第一阵元设置在所述第一区域，并沿所述第二方向并排设置；所述第二阵元设置在所述第三区域，并沿所述第一方向并排设置。

其中，所述周边区包括沿第一方向相对设置的第一区域和第二区域，以及沿第三方向相对设置的第三区域和第四区域；M≥2，N≥2；在所述第一区域和所述第二区域均设置有所述第一阵元，在所述第三区域和所述第四区域均设置有第二阵元。

其中，所述显示器具有显示区和环绕所述显示区的周边区；所述阵列天线包括金属网格结构；所述阵列天线位于显示区。

其中，所述数据处理模块包括：第一处理核和第二处理核；

所述第一处理核，用于根据所述雷达信号和所述回波信号混频后得到的信号进行分析运算，生成所述反射物体信息，其中，所述分析运算包括：一维傅里叶变换、二维傅里叶变换以及到达角度计算中的至少一者；

所述第二处理核，用于对所述雷达信号进行啁啾控制，预先训练并生成人体动作识别网络，以及根据所述反射物体信息通过所述人体动作识别网络识别所述人体动作，并确定对应的所述控制指令。

其中，所述数据处理模块包括：低噪声放大器、混频器、中频放大器、模数转换器、数字前端组件、缓存器、功率放大器、功率分配器以及波形发生器；

其中，所述低噪声放大器、所述混频器、所述中频放大器、所述模数转换器、所述数字前端组件和所述缓存器依次连接；

所述波形发生器、所述功率分配器和所述功率放大器依次连接；

所述混频器的输入端还与所述功率分配器连接，所述低噪声放大器的输入端与所述阵列天线连接，所述功率放大器的输出端与所述阵列天线连接。

其中，所述人机交互装置还包括印刷电路板，所述第一链路和所述第二链路与所述印刷电路板绑定连接。

其中，所述印刷电路板包括包括第一印刷电路和第二印刷电路板；所述第一链路与第一印刷电路板绑定连接；所述第二印刷电路板与所述第二印刷电路板绑定连接。

其中，所述人机交互装置包括智能家居、车载设备、健康监测设备、消费电子设备中的任意一种。

附图说明

图1为一种天线的架构示意图。

图2为一种示例性的阵列天线。

图3为另一种示例性的阵列天线。

图4为再一种示例性的阵列天线。

图5为本公开实施例的一种天线的结构示意图。

图6为第一时钟信号和第二时钟信号的时序图。

图7为本公开实施例的另一种天线的结构示意图。

图8为第一时钟信号、第二时钟信号和第三时钟信号的时序图。

图9为一种示例性的MEMS开关。

图10为本公开实施例的人机交互装置的示意图。

图11为本公开实施例提供的一种数据处理模块的结构示意图。

图12为本公开实施例提供的另一种数据处理模块的等效电路图。

图13为本公开实施例提供的又一种数据处理模块的结构示意图。

图14为本公开实施例中的一种阵列天线集成在显示器周边区的示意图。

图15为本公开实施例中的另一种阵列天线集成在显示器周边区的示意 图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

图1为一种天线的架构示意图；如图1所示，评估雷达到达角至少需要两个接收阵元RX1、RX2和一个发射阵元TX。假设两个接收阵元RX1和RX2之间的距离为d，发射阵元TX发出的信号经反射以与法向夹角为θ角度被接收阵元RX1和RX2接收，则RX1和RX2间因路程差dsinθ带来的相位差 当角度有微小变化Δθ时，此时的相位差 两者作差可得

随着接收阵元的增多，假设是线性等间隔排布，则每个接收阵元与第一个接收阵元之间的相位差也是等间隔增加，当对多个接收阵元信号做傅里叶变换，便可得到可信的相位差ω。

对于N点FFT(即N个接收天线数据)，最小分辨率为 因此为了能区分因不同入射方向引入的相位差差异，则 即 可得 一般天线间距取半波长，即 因此在法向方向上的角度分辨率 由此可见，通过增加接收阵元的数量，便可以显著增加角度分辨率。

通常提高角度分辨率的方法便是同时增加接收阵元和发射阵元的阵元数量，同时每个天线阵元均对应一个射频接收或发射通道(链路)。图2为一种示例性的阵列天线，如图2所示，该阵列天线中包括1个发射阵元TX和4个接收阵元RX1、RX2、RX3、RX4。按接收阵元水平间距为λ/2设计，根据公式，可计算此时的法向水平角度分辨率为2/4rad≈57°。如果想要获得更高的分辨率，则射频通道的通道数就需要成比例增加。假设为了获得高一倍28°的分辨率，常规做法是将接收阵元数量加倍，例如：所设计的阵列天线包括1个发射阵元TX和8个接收阵元RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6、RX7、RX8，如图3所示，此时的法向水平角度分辨率为2/8rad≈28°。这种提升分辨率的方法是以成比例的射频通道增加为代价，系统开销极大。

另一种提升分辨率的方法便是采用虚拟MIMO的方式，仅通过额外增加一个发射单元，便可实现同样分辨率翻倍的效果。如图4所示，在阵列天线中包括2个发射阵元TX和个接收阵元RX1、RX2、RX3、RX4，且2个发射阵元之间的间距为2λ，相邻设置的接收阵元之间的间距为λ/2，这种阵列天线的角度分辨率与图3所示的阵列天线的角度分辨率相同，此时系统开销却降低了25％。

当然，在实际的使用过程中，对角度分辨率的要求会更高，以获得更好的使用体验，即便是采用虚拟MIMO的方式，通道数也会有量的增加，这极大的限制了高角度分辨率场景的发展。

针对上述问题，在本公开实施中提供如下技术方案。在对本公开实施例进行介绍之前需要说明的是，本公开实施中所提及的第一阵元和第二阵元中的一者为发射阵元，另一者为接收阵元，在以下描述中均以第一阵元为发射阵元，第二阵元为接收阵元为例，但应当理解的是，发射和接收是相对概念，也就是说，在第一阵元用作接收阵元时，第二阵元则用作发射 阵元。另外，当第一阵元为发射阵元时，第一链路则为发射链路；当第二阵元为接收阵元时，第二链路为接收链路。

第一方面，本公开实施例提供一种阵列天线，其包括M个发射阵元和N个接收阵元、至少一条发射链路和至少一条接收链路；其中，M≥2和/或，N≥2，且M和N均为正整数；其中，当M≥2时，至少两个发射阵元分别连接对应的第一开关单元；且电连接第一开关单元的发射阵元中的至少两个电连接同一发射链路；和/或，当N≥2时，至少两个接收阵元分别连接对应的第二开关单元；且电连接第二开关单元的第二阵元中的至少两个电连接同一接收链路。

具体的，当发射阵元为多个时，多个发射阵元中的至少两个通过对应的设置的第一开关单元与同一发射链路电连接，也就是说，多个发射阵元中有一些发射阵元对应连接同一发射链路，此时仅需控制发射阵元和发射链路之间的第一开关单元的导通状态，来控制发射链路输入微波信号通过哪一个发射阵元发射出去，也即一条发射链路分时复用为不同的发射阵元提供微波信号。在该种情况下，可以降低发射链路通道数，从而降低成本。类似的，当接收阵元为多个时，多个接收阵元中的至少两个通过对应设置的第二开关单元与同一接收链路电连接，此时仅需控制接收阵元和接收链路之间的第二开关单元的导通状态，来控制哪个接收阵元所接收到的回波信号通过接收链路输出给数据处理模块进行处理。也即，一条接收链路分时复用将不同的接收阵元输出给数据处理模块进行处理，在该种情况下，可以降低接收链路通道数，从而降低成本。

在一些示例中，当发射阵元的数量为多个时，发射阵元与第一开关单元一一对应连接，也即每个发射阵元分别连接一个第一开关单元，并通过第一开关单元与发射链路电连接。也就是说，阵列天线中仅包括一条发射链路，此时仅需要通过时序控制第一开关单元的导通状态，就能够实现一条发射链路为所有的发射阵元提供微波信号。需要说明的是，在该种情况下，由于仅设置一条发射链路，因此各个第一开关单元并不能够同时被打 开，每次仅能够选通一个第一开关，是的发射链路为一个发射阵元提供微波信号，这样一来，接收阵元在接收到回波信号后，数据处理模块才能够判断出是哪一个发射阵元所出的微波信号。由于该种阵列天线中仅采用一条发射链路，因此可以大大降低成本。

在一些示例中，当N＝2k，k≥1时，每两个接收阵元连接一条接收链路，且每个接收阵元和与之电连接的接收链路之间连接一个第二开关单元。在该种情况下，仅需控制第二开关单元的导通状态，来控制哪个接收阵元所接收到的回波信号通过接收链路输出给数据处理模块进行处理。在该种情况下，接收链路的数量仅为接收阵元的数量的一半，相较于现有的接收阵元与接收链路一一对应设置来讲，本公开实施例中的接收链路的数量减少一半，因此可以大大降低成本。

具体的，N个接收阵元沿第一方向由第1个到第N个依次排布；第i个和第i+N/2个接收阵元电连接同一接收链路；i取1～N/2。

为了更清楚本公开实施例的阵列天线的工作原理和效果，结合下述具体示例进行说明，

图5为本公开实施例中的一种阵列天线示意图；如图5所示，阵列天线中的接收阵元沿第一方向并排设置，发射阵元沿第二方向并排设置。其中，图5中仅以接收阵元和发射阵元的数量为6个为例。其中，6个发射阵元分别用TX1、TX2、TX3、TX4、TX5、TX6表示；6个接收阵元分别用RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6表示。6个发射阵元分别通过对应的第一开关单元与同一条发射连接电连接。6个第一开关单元分别用T11、T12、T13、T14、T15、T16表示；此时T11的第一极、T12的第一极、T13的第一极、T14的第一极、T15的第一极和T16的第一极均电连接发射链路TL；T11的第二极、T12的第二极、T13的第二极、T14的第二极、T15的第二极和T16的第二极分别TX1、TX2、TX3、TX4、TX5、TX6；T11的控制极、T12的控制极、T13的控制极、T14的控制极、T15的控制极和T16的控制极分别连接6条第一时钟信号线CLK11、CLK12、CLK13、CLK14、CLK15、 CLK16。6个接收阵元分别6个第二开关单元电连接，6个开关单元中每两个连接一条接收链路。6个第二开关单元分别用T21、T22、T23、T24、T25、T26表示；3条接收链路分别用RL1、RL2、RL3表示。其中，T21的第一极和T24的第一极连接RL1，T22的第一极和T25的第一极连接RL2，T23的第一极和T26的第一极连接RL3，TR1的第二极、TR2的第二极、TR3的第二极、TR4的第二极、TR5的第二极和TR6的第二极分别RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6；T21的控制极、T22的控制极、T23的控制极、T24的控制极、T25的控制极和T26的控制极分别连接6条第二时钟信号线CLK21、CLK22、CLK23、CLK24、CLK25、CLK26。此时，CLK21、CLK22、CLK23的时序相同，CLK24、CLK25、CLK26的时序相同。

图6为第一时钟信号和第二时钟信号的时序图；如图6所示，在本公开实施例中均以第一开关单元和第二开关单元在高电平状态下导通为例。T11在第一时钟信号CLK11的t11和t12时刻导通，此时TX1处于工作状态，CLK21、CLK22、CLK23，在t11时刻写入高电平，RX1～RX3在t11处于接收状态，CLK24、CLK25、CLK26在t12时刻写入高电平，RX4～RX6在t12处于接收状态，因单次切换持续时间很短，宏观上等效于TX1在t11和t12持续发射，RX1～RX6持续接收；同理，TX2～TX6也顺序发射。

在一些示例中，当N≥2k，且k≥2时,两个接收阵元电连接一条第一枝节，不同的所述第二支路所连接的接收阵元不同；且在每个接收阵元和与之电连接的第一支路之间电连接一个第二开关单元；第一枝节和与之对应的接收链接电连接，且至少两个第一枝节电连接同一接收链接；对于电连接同一第二链路的所述第一枝节，每个第一枝节和与之电连接的接收链路上连接有第三开关单元。通过该种方式可以进一步的减少接收链路的数量，从而降低成本。以下结合具体事例进行说明。

图7为本公开实施例中的一种阵列天线示意图；如图7所示，阵列天线中的接收阵元沿第一方向并排设置，发射阵元沿第二方向并排设置。其中，图7中仅以接收阵元和发射阵元的数量为6个为例。其中，6个发射阵元分 别用TX1、TX2、TX3、TX4、TX5、TX6表示；6个接收阵元分别用RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6表示。6个发射阵元分别通过对应的第一开关单元与同一条发射连接电连接。6个第一开关单元分别用T11、T12、T13、T14、T15、T16表示；此时T11的第一极、T12的第一极、T13的第一极、T14的第一极、T15的第一极和T16的第一极均电连接发射链路TL；T11的第二极、T12的第二极、T13的第二极、T14的第二极、T15的第二极和T16的第二极分别TX1、TX2、TX3、TX4、TX5、TX6；T11的控制极、T12的控制极、T13的控制极、T14的控制极、T15的控制极和T16的控制极分别连接6条第一时钟信号线CLK11、CLK12、CLK13、CLK14、CLK15、CLK16。6个接收阵元分别6个第二开关单元电连接，6个开关单元中每两个连接一条第一支路。6个第二开关单元分别用T21、T22、T23、T24、T25、T26表示；3条支路分别用Br1、Br2、Br3表示。Br1和Br2分别通过对应的第三开关单元T31、T32连接一条接收链路RL1，Br3直接与接收链路RL2电连接。其中，T21的第一极和T24的第一极连接Br1，T22的第一极和T25的第一极连接Br2，T23的第一极和T26的第一极连接Br3，TR1的第二极、TR2的第二极、TR3的第二极、TR4的第二极、TR5的第二极和TR6的第二极分别RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6；T21的控制极、T22的控制极、T23的控制极、T24的控制极、T25的控制极和T26的控制极分别连接6条第二时钟信号线CLK21、CLK22、CLK23、CLK24、CLK25、CLK26。T31的第一极和T32的第一极连接RL1，T31的第二极和T32的第二极分别连接Br1和Br2，T31的控制极极和T32的控制极分别连接第三时钟信号CLK31、CLK32；此时，CLK21、CLK22、CLK23的时序相同，CLK24、CLK25、CLK26的时序相同。CLK31的时序可以与CLK23的时序相同，CLK31的时序可以与CLK26的时序相同。

图8为第一时钟信号、第二时钟信号和第三时钟信号的时序图；如图8所示，在本公开实施例中均以第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元在高电平状态下导通为例。T11在第一时钟信号CLK11的t11、t12、t13 和t14时刻导通，此时TX1处于工作状态，CLK21、CLK23和CLK31在t11时刻写入高电平，RX1和RX3在t11处于接收状态，CLK22、CLK32、CLK26在t12时刻写入高电平，RX2和RX6在t12处于接收状态，CLK24、CLK32在t14时刻写入高电平，RX5处于接收状态，CLK32和CLK25在t14时刻写入高电平，RX5处于接收状态，因单次切换持续时间很短，宏观上等效于TX1在t11、t12和t13持续发射，RX1～RX6持续接收；同理，TX2～TX6也顺序发射。

在一些示例中，上述的第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元均可以选用薄膜晶体管(TFT)、光电二极管(PIN)和微机电系统开关(MEMS开关)中的任意一种。优选的，在本公开实施例中，第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元可以选用MEMS开关。之所以选用MEMS开关是因为可以在形成发射阵元和接收阵元的同时同时形成MEMS开关,不会单独增加工艺步骤。图9中给出了一种MEMS开关的结构，如图9所示，该MEMS开关包括形成在第一介质基板10上的第一电极102、第二电极103，位于第一电极102和第二电极103之间的驱动电极101，位于第一电极102和第二电极103所在层上方设置有膜桥结构104，膜桥结构104的两个连接臂分别与第一电极102和第二电极103接触。MEMS开关的第一电极102、第二电极102和驱动电极103分别用作第一开关单元(第二开关单元/第三开关单元)的第一极、第二极和控制极。其中，驱动电极101和第二电极103可以通过绑定工艺与印刷电路板PCB实现电连接，以通过PCB板上的驱动芯片对驱动电极进行控制，从而控制MEMS开关的导通状态。

在本公开实施例中，接收阵元和发射阵元均可以辐射贴片或者偶极子等。在本公开实施例并不对接收阵元和发射阵元的类型进行限制。

第二方面，图10为本公开实施例中的一种人机交互装置的示意图；如图10所示，本公开实施例还提供一种人机交互装置，其包括上述的阵列天线、数据处理模块和显示模块。具体地，阵列天线中的发射阵元用于发射雷达信号，接收阵元用于接收反射的回波信号；数据处理模块用于根据雷 达信号和回波信号确定人体动作和对应的控制指令，并输出控制指令。显示模块用于显示确定出的人体动作和/或控制指令。

在一些示例中，数据处理模块具体用于将雷达信号和回波信号混频并进行分析处理，得到反射物体信息，以及根据反射物体信息识别人体动作，并确定对应的控制指令。其中，反射物体信息包括距离信息、速度信息和到达角度信息中的至少一者。在一些实施例中，雷达信号为调频连续波(FrequencyModulated Continuous Wave，简称FMCW)信号。

具体地，毫米波雷达按照发射信号种类分成脉冲雷达和连续波雷达两大类，脉冲雷达发射周期性的高频脉冲，连续波雷达发射连续波信号；连续波信号可包括单频连续波(Continuous Wave，简称CW)信号或者调频连续波信号，针对调频连续波信号，其调频方式包括三角波、锯齿波、编码调制或者噪声调频等。在前述实施例中，对于雷达信号为调频连续波信号的情况，阵列天线在扫频周期内发射频率变化的调频连续波信号，被物体反射后的回波信号与发射的雷达信号之间存在一定的频率差，此后通过测量频率差可以获得物体与阵列天线之间的距离信息等。

在一些示例中，预先获取或配置有人体动作与控制指令的对应关系，其中，可建立人体动作与控制指令的一一对应，或者，可建立人体动作与单个终端设备的控制指令之间的对应关系，或者，可建立单个人体动作与不同终端设备的控制指令之间的对应关系。

在一些示例中，人机交互装置还包括印制电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)。相应地，在一些实施例中，数据处理模块设置于印制电路板上，阵列天线通过柔性线缆与数据处理模块进行信号传输，其中，为获得较低的信号损耗可采用金球粒子直径较大(如直径大于10um)的异方性导电胶膜(Anisotropic Conductive Film，简称ACF)胶材进行胶合。或者，在一些实施例中，数据处理模块设置于印制电路板上，阵列天线封装于数据处理模块内部，其中，该印制电路板可为高频电路板，阵列天线可基于封装天线(Antenna in Package，简称AiP)技术封装于数据处理模块内部；在一 些实施例中，交互控制装置安装在终端设备内部，此时需要在终端设备的相应安装位置针对阵列天线对应的感知区进行开孔，预留传输路径，以避免终端设备的金属外壳阻碍毫米波的传输。

在一些示例中，数据处理模块与阵列天线组成毫米波雷达子系统，相应地，显示模块对应显示子系统。

在一些示例中，显示模块包括路由网关单元；路由网关单元用于接收媒体数据；相应地，显示模块还用于根据路由网关单元接收的媒体数据进行显示。

在一些示例中，显示模块还包括显示器、显示驱动单元、芯片时序控制单元、信号适配单元等，路由网关单元接收到的媒体数据经信号适配单元进行码流解码，交由时序控制单元按一定时序逻辑进行驱动控制，在显示器上形成显示效果。

本公开实施例中的人机交互装置基于阵列天线和数据处理模块形成毫米波雷达，通过毫米波雷达实现非接触式控制，通过对人体动作的捕捉和识别，确定相应的控制指令，发送至终端设备使得终端设备执行相应命令响应，实现交互操作。

图11为本公开实施例提供的一种数据处理模块的结构示意图；如图1所示，该数据处理模块为图10所示数据处理模块的一种具体化可选实施方案，具体地，该数据处理模块包括：第一处理核和第二处理核。

第一处理核用于根据雷达信号和回波信号混频后得到的信号进行分析运算，生成反射物体信息，其中，分析运算包括一维傅里叶变换(One-Dimensional Fast Fourier Transformation，简称1D FFT)、二维傅里叶变换(Two-Dimensional Fast Fourier Transformation，简称2D FFT)以及到达角度(Angle Of Arrival，简称AOA)计算中的至少一者；其中，通过一维傅里叶变换和二维傅里叶变换可相应得到距离信息和速度信息，通过到达角度计算可相应得到到达角度信息。

在一些实施例中，第一处理核还用于在进行到达角度计算之前基于峰值检索(Peak Search)算法和恒虚警率(Constant False-Alarm Rate，简称CFAR)算法判断出有效的回波信号。

第二处理核用于对雷达信号进行啁啾控制，预先训练并生成人体动作识别网络，以及根据反射物体信息通过人体动作识别网络识别人体动作，并确定对应的控制指令；其中，啁啾是指信号的瞬时频率随时间的变化而变化的特性，在一些实施例中，雷达信号为调频连续波信号，相应地，第二处理核用于对该调频连续波信号的啁啾参数进行配置；在一些实施例中，该人体动作识别网络可独立配置为手势识别网络，用于对手势动作进行精确识别；在一些实施例中，该人体动作识别网络为卷积神经网络，可基于Torch架构、Pytorch架构、VGG架构等，卷积神经网络参数少、判别速度快，判别准确率高，尤其适用于对图像进行识别，需要说明的是，上述识别网络可以采用卷积神经网络模型，也可以采用其他神经网络模型，其均适用于本申请的技术方案，此处不再赘述。

在一些示例中，第一处理核可采用DSP处理核，第二处理核可采用ARM处理核。

图12为本公开实施例提供的另一种数据处理模块的等效电路图；如图12所示，该数据处理模块为图10所示数据处理模块的一种具体化可选实施方案，具体地，该数据处理模块包括：低噪声放大器201、混频器202、中频放大器203、模数转换器204、数字前端组件205(抽样滤波器)、缓存器206、功率放大器301、功率分配器302以及波形发生器303，图中箭头示出了信号传输方向。

其中，低噪声放大器201、混频器202、中频放大器203、模数转换器204、数字前端组件205和缓存器206依次连接；波形发生器303、功率分配器302和功率放大器301依次连接；混频器202的输入端在连接低噪声放大器201的同时，还与功率分配器302连接；低噪声放大器201的输入端与阵列天线连接，功率放大器301的输出端与阵列天线连接；其中，数 据处理模块可包括多条收发链路，即对应在接收侧可包括多组低噪声放大器201、混频器202、中频放大器203、模数转换器204(图中示例性地示出了包括两组的情况)，以及对应在发送侧可包括多个功率放大器301(图中示例性地示出了包括两个的情况)；在一些实施例中，各功率放大器301与功率分配器302之间还分别连接有移相器；在一些实施例中，各混频器202与其对应的中频放大器203之间还连接有滤波器。

其中，波形发生器303产生雷达信号，通过功率分配器302将一部分送至混频器202，以及，通过功率分配器302将一部分经功率放大器301送至阵列天线，并由阵列天线中的相应天线单元向外发送；阵列天线中的相应天线单元接收雷达信号遇到物体后反射的回波信号，接收到的回波信号经过低噪声放大器201放大后，通过混频器202与功率分配器302的部分输出进行混频，得到中频信号，经中频放大器203、模数转换器204、数字前端组件205转换为相应数据，存储在缓存器206中。

图13为本公开实施例提供的又一种数据处理模块的结构示意图；如图13所示，该数据处理模块为基于图11和图12所示数据处理模块的一种具体化可选实施方案，具体地，该数据处理模块包括：低噪声放大器、混频器、中频放大器、模数转换器、数字前端组件、缓存器、功率放大器、功率分配器、波形发生器、第一处理核和第二处理核。

其中，基于各组件功能，可将该数据处理模块划分为多个单元，包括：射频/模拟电路(RF/Analog)单元、发射接收(TR)单元、信号处理(DSP)单元和控制(Master)单元；如图13所示，射频/模拟电路单元包括低噪声放大器、混频器、中频放大器、模数转换器、功率放大器、功率分配器，发射接收单元包括数字前端组件和波形发生器，信号处理单元包括缓存器和第一处理核，主控单元包括第二处理核，其中，主控单元与信号处理单元中的各组件可基于总线矩阵(Bus Matrix)进行通信及进程控制，射频/模拟电路单元内部的信号传输方向可参见图12。

在一些示例中，射频/模拟电路单元还包括通用模数转换器(GPADC)、 振荡器(OSC)、温度控制器等；信号处理单元还包括循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，简称CRC)组件、直接存储器访问(Direct Memory Access，简称DMA)组件、低电压差分信号(Low Voltage Differential Signaling，简称LVDS)接口、硬件在环(Hardware in the Loop，简称HIL)组件、雷达数据存储器以及与缓存器连接的硬件加速器；主控单元还包括直接存储器访问组件、串行外设接口(Serial Peripheral Interface，简称SPI)、队列串行外设接口(Quad Serial Peripheral Interface，简称QSPI)、总线接口以及调试(Debug)串口；主控单元与信号处理单元之间还设置有基于信箱(Mailbox)同步通信机制的信箱模块。

在一些示例中，数据处理模块可采用IWR6843芯片或者VYYR7201-A0芯片等。

在一些示例中，数据处理模块还可仅包括低噪声放大器、混频器、中频放大器、功率放大器以及功率分配器，例如采用BGT60TR13芯片等，其他组件如模数转换器、数字前端组件、缓存器以及波形发生器需额外提供。

由此，基于上述各实施例中的数据处理模块，可实现基于多个处理核对相应信号及数据的处理，其中，第一处理核对中频信号进行一系列分析运算，第二处理核通过可训练的人体动作识别网络实现人体动作识别，提高人体动作识别的精准性。

在一些示例中，显示模块包括显示器，阵列天线集成在该显示器中，阵列天线包括依次层叠设置的参考电极层、介质层和辐射电极层。

其中，在一些示例中，参考电极层又称为接地层，连接地信号(可以为直流低电平信号)，其可以将使用过程中产生的静电以及雷电信号导出，避免天线被击穿而受损，影响天线性能；辐射电极层又称为辐射层，其可以将通过传输线输入的电信号转换为电磁波信号，并将电磁波信号向外辐射，或者，可以将外界的电磁波信号转换为电信号，通过传输线输出至终端设备中，以达到信号无线传输的作用；介质层可为介质基板，位于参考电极层和辐射电极层之间，可以为低损耗介电材料，起到支撑参考电极层 和辐射电极层的作用；在一些实施例中，阵列天线集成在显示器中可包括集成在屏内和集成在屏外等方式，集成在屏内又包括集成在屏上和集成在屏下等方式。

在一些示例中，参考电极层和辐射电极层的材料包括：铝、铜或钼。

在一些示例中，人机交互装置还包括印刷电路板，第一链路和第二链路与印刷电路板绑定连接。具体的，印刷电路板包括包括第一印刷电路和第二印刷电路板；第一链路与第一印刷电路板绑定连接；第二印刷电路板与第二印刷电路板绑定连接。

在一些示例中，若阵列天线金属网格结构；阵列天线还可以位于显示区。这样并不会影响显示，且能够实现窄边框设计。

在一些示例中，显示器具有显示区Q1和环绕显示区的周边区Q2；其中，阵列天线可设置于显示区Q1和周边区Q2的任意位置，在一些实施例中，为减小信号传输损耗，将阵列天线设置于靠近显示器边缘的位置以缩短信号引出线的长度。

以下给出几种阵列天线中的发射阵元和接收阵元集成在显示器周边区的具体示例。

图14为本公开实施例中的一种阵列天线集成在显示器周边区的示意图；如图14所示，一维第二方向发射阵元数为M个，一维第二方向接收阵元数为N个，则可以等效为M行、N列的二维阵列天线，水平和垂直角度分辨率分别为2/Nx、2/M。根据角度分辨率也可以反推收发天线单元的排布及数量。周边区Q2包括沿第一方向相对设置的第一区域和第二区域，以及沿第二方向相对设置的第三区域和第四区域；发射阵元设置在所述第一区域，并沿第二方向并排设置；接收阵元设置在所述第三区域，并沿所述第一方向并排设置。当然也可以是，发射阵元设置在所述第二区域，并沿第二方向并排设置；接收阵元设置在所述第四区域，并沿所述第一方向并排设置。接收阵元和发射阵元均设置在显示器的周边区Q2，且等间距排布，可以极大的降低信号的传输损耗；此外，一行一列的排布方式，也使得阵列天线 可以选择是否进入显示区，从而降低设计难度。当然，也可以采用其他的布局结构，以获取特定的效果，如图15，可以采用四周布局的方式，也即在第一区域和第二区域均设置有发射阵元，在所述第三区域和所述第四区域均设置有接收阵元。以减少第一开关单元和第二开关单元的使用导致的边框增加。当然，还存在其他的布局方式可以使用，包括图中布局的任意组合，在此不一一列举。

人机交互装置包括智能家居、车载设备、健康监测设备、消费电子设备等需要隔空监测、交互的感知的领域。

下面结合实际应用对本公开实施例所提供的的人机交互装置进行详细描述。以应用于智能家居场景为例，人机交互装置即对应的各类智能家居，利用本公开实施例所提供的交互装置可实现对单个或多个智能家居进行非接触控制，终端设备可包括：家用电视、空调、电灯、电子窗帘、热水器、抽油烟机、智能灶、电冰箱、音响、电子门等。其中，交互控制装置可单独设置也可设置在相应终端设备内部，其可建立与各终端设备之间一对一控制，或者一对多控制，或者多对一控制的关系。

以终端设备为抽油烟机，交互控制装置设置在抽油烟机内部进行一对一控制为例。

其中，人机装置包括阵列天线、数据处理模块和显示模块；阵列天线中的发射阵元用于发射雷达信号和接收阵元收反射的回波信号；具体地，雷达信号为调频连续波信号；数据处理模块包括低噪声放大器、混频器、中频放大器、模数转换器、数字前端组件、缓存器、功率放大器、功率分配器、波形发生器、第一处理核和第二处理核；显示模块用于显示确定出的人体动作和/或控制指令，以及显示抽油烟机交互界面；其中，交互控制装置与抽油烟机共用显示模块，阵列天线集成在显示模块的显示器中，包括集成在屏内和集成在屏外等方式，集成在屏内包括集成在屏上和集成在屏下等方式。

首先，数据处理模块中的波形发生器产生雷达信号并通过功率分配器 送至混频器以及功率放大器，功率放大器处理后将信号送至阵列天线向外发送；低噪声放大器接收阵列天线接收到的回波信号，混频器将雷达信号与回波信号混频，通过中频放大器、模数转换器、数字前端组件一系列处理后将相应数据存储至缓存器；第一处理核对该数据进行分析运算，包括一维傅里叶变换、二维傅里叶变换以及到达角度计算等，生成反射物体信息；第二处理核基于反射物体信息通过预先训练的手势识别网络识别手势动作，确定用户期望的对抽油烟机的控制指令，并通过相应接口将该控制指令发送至抽油烟机；抽油烟机执行相应动作；具体地，例如，当检测到手势动作为在划定的感应区中停留3秒以上时，则开启抽油烟机，当检测到手势动作为顺时针或逆时针转动时，调节抽油烟机风力大小，以及，当检测到手势动作为左右挥手时，控制显示界面翻页等。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (20)

1. 一种阵列天线，其包括M个第一阵元、N个第二阵元、至少一条第一链路和至少一条第二链路；其中，M≥2和/或，N≥2，且M和N均为正整数；其中，

   当M≥2时，至少两个第一阵元分别连接对应的第一开关单元；且电连接所述第一开关单元的所述第一阵元中的至少两个电连接同一第一链路；和/或，

   当N≥2时，至少两个第二阵元分别连接对应的第二开关单元；且电连接所述第二开关单元的所述第二阵元中的至少两个电连接同一第二链路。
2. 根据权利要求1所述的阵列天线，其中，当M≥2时，各所述第一阵元电连接同一所述第一链路，且在每个所述第一阵元和所述第一链路之间电连接一个所述第一开关单元。
3. 根据权利要求1所述的阵列天线，其中，当N≥2k，且k≥1时,两个所述第二阵元电连接一条所述第二链路，不同的所述第二链路所连接的所述第二阵元不同；且在每个所述第二阵元和与之电连接的所述第二链路之间电连接一个所述第二开关单元。
4. 根据权利要求3所述的阵列天线，其中，N个所述第二阵元沿第一方向由第1个到第N个依次排布；第i个和第i+N/2个第二阵元电连接同一所述第二链路；i取1～N/2。
5. 根据权利要求1所述的阵列天线，其中，当N≥2k，且k≥2时,两个所述第二阵元电连接一条第一枝节，不同的所述第二支路所连接的所述第二阵元不同；且在每个所述第二阵元和与之电连接的所述第一支路之间电连接一个所述第二开关单元；所述第一枝节和与之对应的第二链接电连接，且至少两个所述第一枝节电连接同一所述第二链接；

   对于电连接同一第二链路的所述第一枝节，每个所述第一枝节和与之 电连接的所述第二链路上连接有第三开关单元。
6. 根据权利要求5所述阵列天线，其中，所述第三开关单元包括薄膜晶体管、微机电系统开关、光电二极管中的任一种。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的阵列天线，其中，所述第一开关单元和所述第二开关单元均包括薄膜晶体管、微机电系统开关、光电二极管中的任一种。
8. 根据权利要求1-6中任一项所述的阵列天线，其中，所述第一阵元和所述第二阵元均包括辐射贴片或者偶极子。
9. 一种人机交互装置，其包括权利要求1-8中任一项所述的阵列天线。
10. 根据权利要求9所述的人机交互装置，其中，还包括：

    数据处理模块，用于根据所述阵列天线发射的雷达信号和接收的回波信号确定人体动作和对应的控制指令，并输出所述控制指令；

    显示模块，用于显示确定出的所述人体动作和/或所述控制指令。
11. 根据权利要求10所述的人机交互装置，其中，所述显示模块包括显示器，所述阵列天线集成在所述显示器中。
12. 根据权利要求11所述的人机交互装置，其中，所述显示器具有显示区和环绕所述显示区的周边区；所述阵列天线集成在所述周边区。
13. 根据权利要求12所述的人机交互装置，其中，所述周边区包括沿第一方向相对设置的第一区域和第二区域，以及沿第三方向相对设置的第三区域和第四区域；M≥2，N≥2；所述第一阵元设置在所述第一区域，并沿所述第二方向并排设置；所述第二阵元设置在所述第三区域，并沿所述第一方向并排设置。
14. 根据权利要求12所述的人机交互装置，其中，所述周边区包括沿第一方向相对设置的第一区域和第二区域，以及沿第二方向相对设置的第三区域和第四区域；M≥2，N≥2；在所述第一区域和所述第二区域均设置有所述第一阵元，在所述第三区域和所述第四区域均设置有第二阵元。
15. 根据权利要求11所述的人机交互装置，其中，所述显示器具有显示区和环绕所述显示区的周边区；所述阵列天线包括金属网格结构；所述阵列天线位于显示区。
16. 根据权利要求10所述的人机交互装置，其中，所述数据处理模块包括：第一处理核和第二处理核；

    所述第一处理核，用于根据所述雷达信号和所述回波信号混频后得到的信号进行分析运算，生成所述反射物体信息，其中，所述分析运算包括：一维傅里叶变换、二维傅里叶变换以及到达角度计算中的至少一者；

    所述第二处理核，用于对所述雷达信号进行啁啾控制，预先训练并生成人体动作识别网络，以及根据所述反射物体信息通过所述人体动作识别网络识别所述人体动作，并确定对应的所述控制指令。
17. 根据权利要求10所述的人机交互装置，其中，所述数据处理模块包括：低噪声放大器、混频器、中频放大器、模数转换器、数字前端组件、缓存器、功率放大器、功率分配器以及波形发生器；

    其中，所述低噪声放大器、所述混频器、所述中频放大器、所述模数转换器、所述数字前端组件和所述缓存器依次连接；

    所述波形发生器、所述功率分配器和所述功率放大器依次连接；

    所述混频器的输入端还与所述功率分配器连接，所述低噪声放大器的输入端与所述阵列天线连接，所述功率放大器的输出端与所述阵列天线连接。
18. 根据权利要求10所述的人机交互装置，其中，还包括印刷电路板，所述第一链路和所述第二链路与所述印刷电路板绑定连接。
19. 根据权利要求18所述人机交互装置，其中，所述印刷电路板包括包括第一印刷电路和第二印刷电路板；所述第一链路与第一印刷电路板绑定连接；所述第二印刷电路板与所述第二印刷电路板绑定连接。
20. 根据权利要求18所述人机交互装置，其中，所述人机交互装置包 括智能家居、车载设备、健康监测设备、消费电子设备中的任意一种。