CN210245718U - 一种k波段的mimo天线 - Google Patents

Abstract

一种K波段的MIMO天线。本实用新型包括顺次排列成两排的多个发射天线和多个接收天线，其中，每个发射天线和每个接收天线均包括多个由馈线连接的振子单元以及阻抗匹配器。上述天线中的每一个发射天线根据所述驱动信号发射电磁波信号时，均能够分别将其等效为其余各所述发射天线发射在该发射电磁波信号的所述发射天线的位置发射相同的电磁波信号，而每一个等效的发射天线均分别对应有若干等效的接收天线。由此，本实用新型利用天线的等效，能够在较小的尺寸下，使接收天线数量成倍增加，提高系统的测角精度、杂波抑制比等性能指标，在不增加天线发射功率和面积的情况下，等效的让信号质量的搭配成倍的提高。

Description

一种K波段的MIMO天线

技术领域

本实用新型涉及微波通讯技术领域，具体而言涉及一种K波段的MIMO天线。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)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，从而改善信号质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加天线发射功率的情况下，可以成倍的提高信号质量。

但是，由于MIMO天线本质上是一种多天线技术，其不可避免的具有天线占用面积较大的问题。过大的天线面积压缩了其他电路元件可使用的空间，同时提升了天线制造成本。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种K波段的MIMO天线，本实用新型使天线能够在较小的尺寸范围内也具有很高的性能，提高了系统的测角精度、杂波抑制比。本实用新型具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种K波段的MIMO天线，其包括：介质板，其两侧表面分别贴敷有接地层和辐射层；其中，所述接地层为贴敷在所述介质板背面的矩形金属片；所述辐射层贴敷在所述介质板的正面，对应设置在所述矩形金属片所覆盖的区域范围内，所述辐射层上设置有：发射天线，包括至少2个，各所述发射天线沿第一方向、以所述接地层中垂直于所述第一方向的中轴线为对称轴，相互平行的排列在所述介质板的正面，其中各发射天线之间的间距d在其工作频率下半波长的1～6倍之间；接收天线，包括至少2个，其沿第一方向、同样以所述接地层中垂直于所述第一方向的中轴线为对称轴，相互平行的排列在所述介质板的正面，所述接收天线与所述发射天线分列两排，各所述接收天线之间的间距相等，且设置为其工作频率下半波长的整数倍；每一个所述发射天线与每一个所述接收天线均的工作频率均相同。

可选的，上述K波段的MIMO天线，其中，所述发射天线与所述接收天线分别包括有垂直于所述第一方向排列的多个振子单元；其中，所述第一方向平行于所述矩形金属片的长度方向。

可选的，上述K波段的MIMO天线，其中，其中，每一个所述发射天线、每一个所述接收天线，其振子单元均设置为矩形，各所述矩形的振子单元分别沿第二方向等间距排列，并且，每一个所述发射天线、每一个所述接收天线的振子单元的尺寸均由该天线的中间沿第二方向向两侧递减，所述第二方向垂直于所述第一方向。

可选的，上述K波段的MIMO天线，其中，其中，每一个所述发射天线、每一个所述接收天线，其振子单元的数量均为6个，6个所述振子单元之间顺次连接有馈线，所述馈线为6个所述振子单元同相串馈电信号。

可选的，上述K波段的MIMO天线，其中，每一个所述发射天线、每一个所述接收天线，其还包括有阻抗匹配器，所述阻抗匹配器连接所述6个振子单元中设置在最外侧边缘的一个振子单元的外侧，所述阻抗匹配器为设置有多级台阶的微带线结构，每一级台阶分别对应有不同宽度，所述阻抗匹配器将所述发射天线或所述接收天线的阻抗匹配至预先设定的阻值。

可选的，上述K波段的MIMO天线，其中，所述6个振子单元中：最外侧2个振子单元的尺寸相同且为6个振子单元中最小，最内侧2个振子单元的尺寸相同且为6个振子单元中最大，剩余2个振子单元的尺寸相同并介于最小尺寸和最大尺寸之间。

可选的，上述K波段的MIMO天线，其中，所述发射天线分为至少两组，每一组至少包含有2个所述发射天线；每一组所述发射天线之间的间距为其工作频率下半波长的6倍。

可选的，上述K波段的MIMO天线，其中，各所述发射天线沿所述第一方向顺次按照固定的时间间隔发射频率线性变化的调频连续波；各所述接收天线同步的按照相同的采样频率f_sample接收电磁波信号。

可选的，上述K波段的MIMO天线，其中，所述介质板采用Rogers 4350B，板材厚度0.254mm，介电常数3.66，所述辐射层上的各所述发射天线与接收天线均为贴合设置在所述介质板上表面的铜箔材质，所述铜箔材质的厚度采用1oz，所述接地层的矩形金属片整体覆铜并连接至基准电平。

有益效果

本实用新型利用顺次分两排排列的多组发射天线和多个接收天线，使得其中每一个发射天线根据所述驱动信号发射电磁波信号时，均能够分别将其等效为其余各所述发射天线发射在该发射电磁波信号的所述发射天线的位置发射相同的电磁波信号，而每一个等效的发射天线均分别对应有若干等效的接收天线。由此，本实用新型利用天线的等效，能够在较小的尺寸下，等效扩大天线的接收孔径，使接收天线数量成倍增加，提高了系统的测角精度、杂波抑制比等性能指标，在不增加天线发射功率和面积的情况下，等效的让信号质量的搭配成倍的提高。信号质量等效提高的原因在于：由于本实用新型的天线结构，其接收天线的数量得到等效的增加，因而，在信号处理过程中，接收天线数量的等效增多能够等效地增大信号的信噪比，等效地让信号质量得到成倍的提高。

进一步，本实用新型为保证每一个天线的信号质量，将各天线设置为振子单元的尺寸由中间向两侧递减的结构，并为每一个天线配置相应的阻抗匹配器，实现对天线辐射效率的提升。尤其，上述每根天线的6个振子单元均采用线性排布，通过导线连接并实现同相馈电，配合对各振子单元尺寸的设计，本实用新型的天线能够获得较高的旁瓣抑制比，并配合阻抗匹配器对天线阻抗的匹配能够获得好的驻波特性。

本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。

附图说明

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

图1是本实用新型的毫米波MIMO雷达天线的整体结构示意图；

图2是图1中毫米波MIMO雷达天线内一个单元的结构示意图；

图3是本实用新型毫米波MIMO雷达天线的S11回波特性的曲线图；

图4是本实用新型毫米波MIMO雷达天线的方向图；

图5是本实用新型毫米波MIMO雷达天线的4路发射天线的发射信号的示意图；

图6是天线2发射时其等效的接收天线的示意图；

图7是将天线2、3、4每次发射时等效为在天线1位置发射时的等效收发模型的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1为根据本实用新型的一种K波段的MIMO天线，其设置在介质板表面，该天线的主要辐射与接收结构包括：

图1上排所示的发射天线，其包括至少1组，每一组发射天线包括至少2个，各所述发射天线沿第一方向相互平行的排列在所述介质板的上表面，其中每一组内的各发射天线的间距d小于各组之间发射天线的间距D；

图1下排所示的接收天线，其包括至少2个，其沿第一方向相互平行的排列在所述介质板的上表面，所述接收天线与所述发射天线分列两排，各所述接收天线之间的间距相等，且各所述接收天线之间的间距在d～D的范围之间，且各所述接收天线之间的间距为半波长的整数倍。

由于信号的波长＝光速/频率，一般天线之间的间距需要设计在半波长以上，天线间的空间相关性比较低。但是考虑设计空间尺寸，本实用新型可以将每一组内的各发射天线的间距d选取为一半的波长，俗称半波长，每一组内各天线之间间距一致，以简化信号处理过程。我们还进一步可以将发射天线每组之间的距离设计为6个半波长，也就是3个波长，将各接收天线之间间距设计为1个波长，就是两个半波长。这样等效天线的间距全部都是半波长间距。也就是说，由于接收天线间距为2个半波长，等于每组内各发射天线间距的两倍，这样所对应的虚拟接收天线就可以构成半波长间距的阵列。这样既能得到较好的性能，也能兼顾信号处理的过程。

其中，每一个所述发射天线或每一个接收天线均包括图2所示的：

振子单元，其包括6个，所述6个振子单元沿第二方向等间距排列，所述6个振子单元的尺寸由中间向两侧递减；其中，所述第一方向平行于所述毫米波MIMO雷达天线所设置的介质板的长度方向；所述第一方向平行于所述毫米波MIMO雷达天线所设置的介质板的宽度方向；

馈线，顺次连接所述6个振子单元，为所述6个振子单元同相串馈电信号；

阻抗匹配器，其连接所述6个振子单元中设置在最外侧边缘的一个振子单元的外侧，所述阻抗匹配器为设置有多级不同宽度的台阶的微带线结构，将所述发射天线或所述接收天线的阻抗匹配至50ohm。

整体上，上述毫米波MIMO雷达天线中的所述发射天线以及所述接收天线分别沿所述介质板宽度方向上的中轴线对称排列。其中的各接收天线与发射天线可以采用一样的天线，也可采用不一样的天线。其中的单个天线采用中心馈电的6个振子单元阵列串馈结构。每根天线的6个振子线性排布，通过导线连接并实现同相馈电。振子尺寸从中间向两边逐渐变小从而获得较高的旁瓣抑制比。天线介质基板采用Rogers 4350B，板材厚度0.254mm，介电常数3.66。其上表面所设置的发射天线与接收天线均为贴合设置在所述介质板上表面的铜箔材质，所述铜箔材质的厚度采用1oz，所述介质板的下表面整体覆铜并连接至基准电平。

下面以K波段说明对上述毫米波MIMO雷达天线中任一天线的设计。

高频信号由芯片输出之后一般通过图2下部所示的50ohm微带线传输到天线。该微带形式的阻抗匹配器具有3级不同宽度的台阶的微带线结构，实现与天线的阻抗匹配，能够使得天线获得好的驻波特性。

对于天线中6个振子单元以及相应的馈线和阻抗匹配结构，本实用新型先利用切比雪夫或泰勒多项式按照-25dB的旁瓣水平计算出阵列的电流幅度分布系数，而后根据各个振子的阻抗计算它们的宽度和长度。由于有寄生的影响，最后再用hfss和cst等电磁仿真软件进行仿真计算后确定各个振子单元的尺寸如下表(单位：mm)：

表1天线各部位尺寸

L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	L9
									0.85	2.75	4.0	4.0	2.75	0.85	0.15	0.2	0.5
W1	W2	W3	W4	W5	W6	W7	W8	W9
									3.45	3.25	3.05	3.05	3.25	3.45	3.0	1.6	1.0

也就是说，本实用新型的毫米波MIMO雷达天线中，各发射天线或接收天线，其最外侧2个振子单元的尺寸相同为6个振子单元中最小，最内侧2个振子单元的尺寸相同为6个振子单元中最大，剩余2个振子单元的尺寸相同并介于最小尺寸和最大尺寸之间。

实际测试获得图3所示的回波比特性以及图4所示的方向图5。其中显示，图2结构的天线，在24-24.5GHz范围内有很好的驻波特性，中心频点约为24.25GHz。

表2天线回波比特性

	带宽(GHz)	频率范围(GHz)
			-10dB电平带宽	0.45	24～24.45

而参考图4所示，天线在24.25G频点处，天线增益约为12dBi.图5中虚线为H面方向图，实线为H面方向图。可以看到H面的3dB宽度约为80°，E面的3dB宽度为17°，第一副瓣电平约为-26dB，达到设计要求。

上述的天线采用图5所示的方式实现驱动以发射电磁波信号。参照图1中对发射天线的编号，通过如下的步骤实现对各发射天线的驱动：

第一步，对排列在最外侧边缘的一个发射天线，比如发射天线1输出驱动信号，所述驱动信号为频率线性变化的调频连续波；其中，各所述发射天线之间发射信号的时间间隔为固定时间

其中，v_max表示最大测量速度，f_z表示所述发射天线的载频；所述频率线性变化的斜率

其中，R_max表示最大测量距离，c表示光速，f_sample表示采样频率，f_sample为设定值。对每一个所述调频连续波采样时，均在该调频连续波开始后等待一个微小的采样等待时间之后进行采样，以避开刚开始阶段有可能产生的振铃或过冲。

第二步，每间隔固定时间

即，每次发射到下次发射间隔固定时间T，对沿所述第一方向排列的下一个发射天线，即按照2->3->4的顺序依次对相应编号的发射天线输出与第一步中发射天线相同的驱动信号；

第三步，重复上述第二步，直至断开对排列在另一侧边缘的所述发射天线所输出驱动信号，每间隔固定时间T，跳转至第一步；

第四步，重复上述第一步至第三步，直至完成一个雷达周期内全部驱动信号的输出。

由此，图1所示的4路发射天线依次在每隔相同的时间间隔后发射相同频率渐变斜率的连续波。由该驱动信号驱动各发射天线输出电磁波信号，所述电磁波信号辐射至目标物体后反射而被接收天线接收。上述过程中，按照等间隔的固定时间T依次打开。该发射频率线性变化的调频连续波，根据天线的设计要求，发射频率24～24.25G，发射时间间隔可根据需测量目标的最大速度来配置，当需要测量最大速度±100Km/h时，典型周期值T＝56.25us。

上述周期所对应的T可根据公式

计算，同时也可求的最大多普勒频率。其中，

C——光速

f_z——载频(24～24.25GHz)

T——周期时间

v_max——最大测量速度

f_dmax——最大多普勒频率

信号频率的变化斜率决定系统的理想最大测量距离，决定斜率时需要考虑发射功率以及天线在波束方向上的增益能否达到此距离。当最大测量距离500米，采样频率10MHz时，斜率K典型值6MHz/us。

根据公式：

在既定的采样频率下，最大测量距离与斜率呈反比。

R_max——最大测量距离

C——光速

f_sample——采样频率

K——斜率

发射时间要满足采样时间要求，在发射开始与结束可能有振铃和过冲，采样需要避开发射的起始与结束阶段。

接收过程中，各接收天线同步接收全部各所述接收天线所获得的目标物体所反射的电磁波信号。该过程中所述发射天线实际仍然与所述接收天线同步工作。这样，参照图6所示，以发射天线1发射电磁波信号，其下排8个接收天线同步接收反射回来的电磁波信号为基准。当天线2发射时，如果将发射天线2等效的平移到发射天线1的位置，如图6，则可见其等效于天线1再次发射信号，同时接收天线也向右平移到了图6中虚线的位置。

依次按照上述的等效过程将2,3,4号发射天线每次发射时分别等效为在天线1的位置发射，则分别获得他们所对应的等效的接收天线的位置关系如图7所示。去掉其中重合的虚拟天线，则所有的收发天线则可以等效为图7下侧所示的1发23收、两边对称的收发天线。

也就是说，在上述天线之间的同步工作的过程中，每一个发射天线根据所述驱动信号发射电磁波信号时，均能够分别将其等效为其余各所述发射天线发射在该发射电磁波信号的所述发射天线的位置发射相同的电磁波信号；

每一个所述等效的发射天线，均分别对应有其等效的接收天线，其中，各所述等效的发射天线与其所对应的等效的接收天线的位置关系与所述毫米波MIMO雷达天线中对应的发射天线与各接收天线的位置关系相同；

即，所述接收过程中，所述目标物体所反射的电磁波信号由所述接收天线以及各等效的发射天线所对应的各等效的接收天线同步接收。

为了使天线整体获得较佳的辐射特性，并且便于各发射天线和其对应的接收天线之间实现等效，上述结构中，每一组内的各发射天线的间距d为所述发射天线工作波长的1/2；各组之间发射天线的间距D为所述发射天线工作波长的3倍；各所述接收天线之间的间距等于所述接收天线的工作波长，所述接收天线的工作波长于所述发射天线的工作波长相等。以实现接收天线的等效，拓展接收孔径。

由此，同步接收全部各所述接收天线所获得的目标物体所反射的电磁波信号，并按照采样频率f_sample进行采样获得采样信号。随后，按照以下步骤获得目标物体相对所述毫米波MIMO雷达天线的角度和移动速度：

步骤R2，计算所述目标物体所反射的电磁波信号相比所述驱动信号驱动各发射天线所输出电磁波信号的频率差值；计算所述目标物体所反射的电磁波信号相比所述驱动信号驱动各发射天线所输出电磁波信号的相位偏差；

步骤R2，对所述采样信号进行傅里叶运算，将所述采样信号从时域转换至频域，并做恒虚警处理，得到目标物体的距离序号R_n，计算目标物体的距离

其中，c表示光速，f_sample表示采样频率，K表示所述发射天线的发射信号的频率线性变化的斜率，N_R表示采样点数；

步骤R3，在发现所述目标物体的距离序号所对应的单元上，将连续多次发射周期内相同采样位置的数据，即，多次频率变化斜率曲线相同位置的数据，或斜坡(ramp)，取出做傅里叶运算和恒虚警处理，得到目标物体的速度序号V_n，计算目标物体的速度

其中，f_z表示所述发射天线的载频，T表示发射时间间隔即固定时间，或周期时间，N_v表示发射次数；

步骤R4，根据所述目标物体的速度v和所述目标物体的距离R，取出各所述接收天线对应该位置的数据进行相位补偿。因为发射天线采用时分工作，由于目标运动，因此各个接收天线接收到的信号波形在相位上产生了相位差，所以必须按照以下方式进行相位补偿：相对于第一次收到的回波，第k次回波的相位差为

其中，V表示目标速度，λ表示载波波长；根据欧拉公式将每次采样信号所获得的信号数据表示为e^jφ，对每次的信号数据进行相位补偿，则第k次补偿后所述信号数据的值等于

步骤R5，根据补偿后所获得的信号数据替代原来的值进行波束合成，得到目标物体相对所述毫米波MIMO雷达天线的准确角度。

上述过程在使用等效虚拟天线的同时，被测目标也引入了同等距离的测量误差，但是相对于目标距离仍旧非常小，在计算雷达目标的距离可以忽略，对于目标的速度是利用多普勒频率计算，在没有镜像速度的情况下，最大多普勒频率等于发射间隔的倒数，在离散化的数据上，速度就只与恒虚警(CFAR)处理后的序号、发射间隔、以及载频频率相关。所以在计算出速度后，根据目标的速度进行相位补偿就可以准确地得到目标的角度。

本实用新型的MIMO雷达天线阵列采用一种4发8收的结构，具有4路发射和8路接收的天线振子，接收天线呈等间距分布，间距等于毫米波波长；发射天线分为2个2路，在介质基板两边呈对称分布，发射天线的间距，小的间距为半个波长，大的间距为6个半波长。由于其中各单元相距较近，各个天线单元对目标的视角近似相同，因而可通过天线发送时分信号，使得虚拟接收天线能够达到23个数量之多，从而等效扩大接收孔径，使天线能够在较小的尺寸范围内也具有很高的性能，提高了系统的测角精度、杂波抑制比等性能。

以上仅为本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种K波段的MIMO天线，其特征在于，包括：

介质板，其两侧表面分别贴敷有接地层和辐射层；其中，所述接地层为贴敷在所述介质板背面的矩形金属片；所述辐射层贴敷在所述介质板的正面，对应设置在所述矩形金属片所覆盖的区域范围内，所述辐射层上设置有：

发射天线，包括至少2个，各所述发射天线沿第一方向、以所述接地层中垂直于所述第一方向的中轴线为对称轴，相互平行的排列在所述介质板的正面，其中各发射天线之间的间距d在其工作频率下半波长的1～6倍之间；

接收天线，包括至少2个，其沿第一方向、同样以所述接地层中垂直于所述第一方向的中轴线为对称轴，相互平行的排列在所述介质板的正面，所述接收天线与所述发射天线分列两排，各所述接收天线之间的间距相等，且设置为其工作频率下半波长的整数倍；

每一个所述发射天线与每一个所述接收天线均的工作频率均相同。

2.如权利要求1所述的K波段的MIMO天线，其特征在于，所述发射天线与所述接收天线分别包括有垂直于所述第一方向排列的多个振子单元；

其中，所述第一方向平行于所述矩形金属片的长度方向。

3.如权利要求2所述的K波段的MIMO天线，其特征在于，其中，每一个所述发射天线、每一个所述接收天线，其振子单元均设置为矩形，各所述矩形的振子单元分别沿第二方向等间距排列，并且，每一个所述发射天线、每一个所述接收天线的振子单元的尺寸均由该天线的中间沿第二方向向两侧递减，所述第二方向垂直于所述第一方向。

4.如权利要求3所述的K波段的MIMO天线，其特征在于，其中，每一个所述发射天线、每一个所述接收天线，其振子单元的数量均为6个，6个所述振子单元之间顺次连接有馈线，所述馈线为6个所述振子单元同相串馈电信号。

5.如权利要求4所述的K波段的MIMO天线，其特征在于，每一个所述发射天线、每一个所述接收天线，其还包括有阻抗匹配器，所述阻抗匹配器连接所述6个振子单元中设置在最外侧边缘的一个振子单元的外侧，所述阻抗匹配器为设置有多级台阶的微带线结构，每一级台阶分别对应有不同宽度，所述阻抗匹配器将所述发射天线或所述接收天线的阻抗匹配至预先设定的阻值。

6.如权利要求5所述的K波段的MIMO天线，其特征在于，所述6个振子单元中：

最外侧2个振子单元的尺寸相同且为6个振子单元中最小，最内侧2个振子单元的尺寸相同且为6个振子单元中最大，剩余2个振子单元的尺寸相同并介于最小尺寸和最大尺寸之间。

7.如权利要求1所述的K波段的MIMO天线，其特征在于，所述发射天线分为至少两组，每一组至少包含有2个所述发射天线；每一组所述发射天线之间的间距为其工作频率下半波长的6倍。

8.如权利要求2所述的K波段的MIMO天线，其特征在于，各所述发射天线沿所述第一方向顺次按照固定的时间间隔发射频率线性变化的调频连续波；各所述接收天线同步的按照相同的采样频率f_sample接收电磁波信号。

9.如权利要求1所述的K波段的MIMO天线，其特征在于，所述介质板采用Rogers 4350B，板材厚度0.254mm，介电常数3.66，所述辐射层上的各所述发射天线与接收天线均为贴合设置在所述介质板上表面的铜箔材质，所述铜箔材质的厚度采用1oz，所述接地层的矩形金属片整体覆铜并连接至基准电平。

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