CN216671926U

CN216671926U - 应用于交通雷达的mimo天线和交通雷达

Info

Publication number: CN216671926U
Application number: CN202123363577.3U
Authority: CN
Inventors: 程浩
Original assignee: Shenzhen Chenggu Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Chenggu Technology Co ltd
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2031-12-28

Abstract

本申请涉及天线领域，提供了一种应用于交通雷达的MIMO天线，包括：第一天线和第二天线，所述第二天线包括多个结构相同的微带线阵、多个移相器和微带功分器，各个所述微带线阵分别与一个所述移相器连接后与所述微带功分器并联连接；所述微带线阵包括多个线性排列的第二辐射单元，多个所述第二辐射单元通过第二馈线连接，多个所述移相器包括具有第一开口方向的所述移相器和具有第二开口方向的所述移相器，其中，所述第一开口方向与所述第二开口方向相反。同时通过开口方向相反的移相器的翻转，明显降低了天线的副瓣电平，较低的副瓣电平可以降低外部噪声信号的干扰，提高雷达信噪比，也能提高雷达探测距离。

Description

应用于交通雷达的MIMO天线和交通雷达

技术领域

本申请属于天线技术领域，尤其涉及一种应用于交通雷达的MIMO天线和交通雷达。

背景技术

MIMO雷达：MIMO雷达的全称为“多输入多输出雷达”(Multiple-Input Multiple-Output Radar)，广义上MIMO雷达被定义为发射端和接收端有多个天线，且发射端发射多个不相关或部分相关信号波形的雷达。

目前的MIMO雷达主要使用的远近双波束天线，但是，目前的远近双波束天线具有较高的副瓣电平，容易受到外部噪声信号的干扰，降低了雷达信噪比，也就降低了雷达探测距离。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种应用于交通雷达的MIMO天线和交通雷达，旨在解决目前的远近双波束天线具有较高的副瓣电平，容易受到外部噪声信号的干扰，雷达探测距离的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种应用于交通雷达的MIMO天线，包括：

第一天线，所述第一天线包括多个线性排列的第一辐射单元，多个所述第一辐射单元通过第一馈线连接；

第二天线，所述第二天线包括多个结构相同的微带线阵、多个移相器和微带功分器，各个所述微带线阵分别与一个所述移相器连接后与所述微带功分器并联连接；所述微带线阵包括多个线性排列的第二辐射单元，多个所述第二辐射单元通过第二馈线连接，其特征在于：

多个所述移相器包括具有第一开口方向的所述移相器和具有第二开口方向的所述移相器，其中，所述第一开口方向与所述第二开口方向相反，且具有第一开口方向的所述移相器的走线总长度与具有第二开口方向的所述移相器的走线总长度基本相等。

在其中一个实施例中，所述移相器为U型结构、V型结构或M型结构。

在其中一个实施例中，多个所述第一辐射单元的长度相同，多个所述第一辐射单元的宽度从两边至中间逐渐增加。

在其中一个实施例中，多个所述第二辐射单元的长度相同，多个所述第二辐射单元的宽度从两边至中间逐渐增加。

在其中一个实施例中，所述第一辐射单元和所述第二辐射单元均至少3个。

在其中一个实施例中，多个所述第一辐射单元、多个所述第二辐射单元均分别构成切比雪夫低副瓣阵列。

在其中一个实施例中，所述第二天线的增益最大方向相对所述第一天线的增益最大方向具有预设角度的波束偏转。

在其中一个实施例中，所述预设角度根据以下公式确定：

tanθ＝L/D；

tan(90-θ-φ)＝D/S；

OX＝(D²+L²)^1/2；

OY＝(D²+S²)^1/2；

其中，D为所述MIMO天线的安装位置到道路远离所述MIMO天线一侧边沿的距离，φ为所述预设角度，θ为所述第一天线的增益最大方向与车道宽度方向的夹角，L为所述第一天线的增益最大方向与道路边沿的交点在长度方向到所述MIMO天线的距离，S为所述第二天线的增益最大方向与道路边沿的交点在长度方向到所述MIMO天线的距离，OY是所述第一天线的探测距离，OX是所述第二天线探测距离。

在其中一个实施例中，相邻的所述移相器的走线长度之间具有产生相位差的长度，所述长度差根据以下公式确定：

P＝360°·sinφ°·λ₀/λ；

L_P＝λ₀·φ/360°；

其中，P为相邻的所述微带线阵之间的相位差，L_P为产生所述相位差的长度差，λ₀为相邻的所述微带线阵的中心距离，λ为MIMO天线的谐振频率对应的波长，φ为所述预设角度。

本申请实施例的第二方面提供了一种交通雷达，包括上述的MIMO天线。

上述应用于交通雷达的MIMO天线设将开口方向相反的移相器的长度设置为基本相等，可是使得电流相位相反，辐射的能量可以互相抵消，减小了对天线方向图的影响，增加天线增益，增益的增加可以明显提高雷达探测距离；从另一方面看，同时通过开口方向相反的移相器的翻转，明显降低了天线的副瓣电平，较低的副瓣电平可以降低外部噪声信号的干扰，提高雷达信噪比，也能提高雷达探测距离。

附图说明

图1为本申请实施例提供的第一天线的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第二天线的结构示意图；

图3为传统远近天线的天线波束；

图4为本申请第一天线、第二天线的天线波束；

图5为本申请实施例的交通雷达设置在高速公路车道侧边的示意图；

图6为本申请实施例的MIMO天线和传统远近天线的方向图；

图7为本申请中第二天线的S11曲线图；

图8为传统远距离天线的结构示意图；

图9为本申请实施例的MIMO天线和传统远近天线的方向图变化对比图；

图10为图2示出的第二天线的中的微带功分器的结构示意图。

其中，各图附图标记：

100、基板；10、第一天线；20、第二天线；11、第一辐射单元；12、第一馈线；21、微带线阵；22、移相器；23、微带功分器；210、第二辐射单元；212、第二馈线；21a、第一微带线阵；21b、第二微带线阵；21c、第三微带线阵；21d、第四微带线阵；21e、第五微带线阵；21f、第六微带线阵；22b、第一移相器；22c、第二移相器；22e、第三移相器；22d、第四移相器；22f、第五移相器；231、第一级T型功分器；2311、传输线；2312、阻抗匹配单元；2313、T型节；232、第二级T型功分器；233、第三级T型功分器；234、第四级T型功分器。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，“若干个”的含义是一个或多个，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1和图2，本申请实施例提供的应用于交通雷达的MIMO天线，包括第一天线10和第二天线20，第一天线10和第二天线20通过可以通过微波开关连接，连接形成一个发射天线；或者第一天线10和第二天线20分别与射频芯片的发射端口馈电连接形成一个发射天线，第一天线10和第二天线20铺设在基板100上。一般地，应用在交通雷达的第一天线10和第二天线20分别为相同或者相近探测方向(增益最大方向)的近距离探测天线和远距离探测天线，也可是不相近的两个探测方向。可以理解的是，采用两个在不同方向增益最大的天线结合，可以保证在雷达尺寸不变或者略有缩小的情况下，实现角雷达的覆盖范围的提升，提高雷达角度及距离覆盖范围；而采用多个发射天线不仅可保证角雷达的覆盖角度及探测范围，而进一步也会提高雷达对角度的分辨能力。

第一天线10包括多个线性排列的第一辐射单元11，多个第一辐射单元11通过第一馈线12连接；第二天线20包括多个结构相同的微带线阵21、多个移相器22和微带功分器23，各个微带线阵21分别与一个移相器22连接后与微带功分器23并联连接；微带线阵21包括多个线性排列的第二辐射单元210，多个第二辐射单元210通过第二馈线212连接，多个移相器22包括具有第一开口方向的移相器22和具有第二开口方向的移相器22，其中，第一开口方向与第二开口方向相反，且具有第一开口方向的移相器22的走线总长度与具有第二开口方向的移相器22的走线总长度基本相等。需要说明的是“基本相等”指的是两个走线总长度的差值范围时该领域的可接受范围之内，比如差值范围在8％以内。第一开口方向与第二开口方向分别位于天线延伸方向的两侧。

一般地，上述移相器22的开口一般为U型，也可以为V型或M型，那么形成该开口的结构可以是微带线形成的U型结构、V型结构、M型结构或其他具有移相功能的微带线结构或者电子元器件。

请参阅图3，传统的天线波束都是0°，未做波束赋形；因此这种雷达在应对交通侧装方案场景中时，远距离天线能量很大一部分会发射到车道外面，影响探测距离。请参阅图4，在本申请的一个实施例中，设置第二天线20的增益最大方向Y相对第一天线10的增益最大方向X具有预设角度φ的波束偏转。如此，通过远近双模发射天线设计，同时对远距离模式天线波束赋形，达到雷达测距最大化。

预设角度根据以下公式确定：

OX＝(D²+L²)^1/2 (1)；

OY＝(D²+S²)^1/2 (2)；

tanθ＝L/D (3)；

tan(90-θ-φ)＝D/S (4)；

其中，参考图5，D为MIMO天线的安装位置到道路远离MIMO天线一侧边沿的距离，φ为预设角度，θ为第一天线10的增益最大方向X与车道宽度方向的夹角，L为第一天线10的增益最大方向X与道路边沿的交点在长度方向上到MIMO天线的距离，S为第二天线20的增益最大方向Y与道路边沿的交点在长度方向上到MIMO天线的距离，OY是第一天线10的探测距离，OX是第二天线20探测距离。

例如，交通雷达在交通道路侧装应用场景中，道路宽度D由车道数目以及安装位置决定，比如1个车道宽度为3.75米，如果车道数为N，并且，具有本申请MIMO天线的交通雷达安装在离近侧道路边沿n米的位置，则D＝3.75N+n米。安装时需对交通雷达水平偏转θ，因此可以根据公式(1)、(2)得到L、S的值，再根据公式(1)得到交通雷达偏转角度θ(也就是MIMO天线的偏转角度)；其后，根据公式(2)，得到第二天线20束赋形偏转角度为φ，对第二天线20进行预设角度φ的波束赋形，达到雷达测距最大化。

请参阅图5，以4车道为例，交通雷达安装在离近侧道路边沿3米，因此D＝3.75×4+3＝18米，雷达整体探测OX＝1000米，即第二天线20的增益最大方向OX的长度，近距离模式探测25-150米范围，远距离模式探测150-1000米。因此OY＝150米，根据公式(3)得到θ＝83°，因此需要将雷达旋转83°，根据公式(4)，得到φ＝6°，因此需要将远距离天线波束旋转6°。

请参阅图1和图2，交通雷达的第一天线10和第二天线20的微带线阵21的设置方式相同，下面将以第一天线10为例说明相关实施例。

请参阅图1，在一个实施例中，第一天线10包括10个第一辐射单元11，在其他实施例中，第一辐射单元11为至少3个。其中，每个第一辐射单元11的宽度(与第一天线10的延伸方向垂直)具有预定值，一般地，第一天线10上的多个第一辐射单元11的宽度从两边至中间逐渐增加，相邻第一辐射单元11的间距具有预定值，一般地，间距相同。每个第一辐射单元11的长度(第一天线10的延伸方向)也是相同的。本例中，为了实现副瓣电平较低，将第一辐射单元11数目设定为N＝10，副瓣电平设置为-26dB的切比雪夫阵列，通过切比雪夫综合法计算得到特定比例的数值，根据切比雪夫阵列的设计步骤：

①根据第一辐射单元11数N＝10，确认阵因子：

其中d为相邻的第一辐射单元11间距，λ为第一天线10的波长，θ为第一天线10的偏转角度。

②展开S_even(u)中的每一项，使其只含有cosu的形式：

S_even(u)＝I₁ cosu+I₂ cos(3u)+I₃ cos(5u)+I₄ cos(7u)+I₅ cos(9u)

利用递推公式，将cos(3u)、cos(5u)、cos(7u)和cos(9u)分别展开。

③R_0dB＝26dB＝20lg(R₀)得到R₀＝20，且N-1＝9；

④把cos(u)＝x/x₀＝x/1.0851代入第②步的表达式中整理后得到：

S_even(u)＝x·[(I₁-3I₂+5I₃-7I₄+9I₅)/x₀]+x³·[(4I₂-20I₃+56I₄-120I₅)/x₀ ³]+x⁵·[(16I₃-112I₄+432I₅)/x₀ ⁵]+x⁷·[(64I₄-576I₅)/x₀ ⁷]+x⁹·[(256I₅)/x₀ ⁹]

⑤令S_even(u)＝T₉(x)＝9x-120x³+432x⁵-576x⁷+256x⁹，比较同类项系数得：

(256I₅)/x₀ ⁹＝256得到I₅＝2.086；

64I₄-576I₅/x₀ ⁷＝-576得到I₄＝2.8308；

16I₃-112I₄+432I₅/x₀ ⁵＝432得到I₃＝4.1071；

4I₂-20I₃+56I₄-120I₅/x₀ ³＝-120得到I₂＝5.2073；

I₁-3I₂+5I₃-7I₄+9I₅/x₀＝9得到I₁＝5.8377；

⑥写成归一化形式：

I₁＝1，I₂＝0.892，I₃＝0.704，I₄＝0.485，I₅＝0.357；

10个第一辐射单元11阵列排列为I₅，I₄，I₃，I₂，I₁，I₁，I₂，I₃，I₄，I₅。

根据计算结果，第一天线10中各个第一辐射单元11的宽度依次按照I₅，I₄，I₃，I₂，I₁，I₁，I₂，I₃，I₄，I₅的比例进行加工。

关于移相器22的设计。

请参阅图2，为交通雷达的第二天线20，本示例中，第二天线20由包括6个微带线阵21、1分6微带功分器23、5个移相器22(也可以认为是6个，而其中一个移相0°)，其中各个微带线阵21上的第二辐射单元210的长度基本一致，相邻的两个第二辐射单元210的间距也一致。请参阅图2和3，在一个示例中，当第二天线20波束赋形偏转角度为φ＝14°时，根据公式(5)得到相邻的微带线阵21之间的相位差P：

P＝360°·sinφ°·λ₀/λ (5)；

其中，λ₀为相邻的微带线阵21的中心间距，λ为MIMO天线的谐振频率对应波长。在一个示例中，λ₀＝2.4mm，λ＝3.92mm，则得到P＝53°，由于各个微带线阵21的尺寸基本一致，那么得到的各个相位差P应该基本为等值。

因此，为了实现相邻微带线阵21达到53°的相位差，根据公式(6)：

L_P＝λ₀·φ/360° (6)；

得到相邻的移相器22的之间走线的长度差L_P＝0.35mm，由于各个微带线阵21的尺寸基本一致，那么得到的各个长度差L_P应该基本为等值。

在图2中，从上之下排列分别为第一微带线阵21a、设置有第一移相器22b的第二微带线阵21b、设有第二移相器22c的第三微带线阵21c、设有第三移相器22d的第四微带线阵21d、设有第四移相器22e的第五微带线阵21e、设有第五移相器22f的第六微带线阵21f，那么第五移相器22f相对第四移相器22e长L_P，第四移相器22e相对第三移相器22d长L_P，第三移相器22d相对第二移相器22c长L_P，第二移相器22c相对第一移相器22b长L_P，但是，需要说明的是，实际仿真设计结果L_P的长度会有一定的变化，且在可接受范围之内。

而为了减小移相器22对天线阵方向图的影响，将第一移相器22b、第二移相器22c和第四移相器22e的开口与第三移相器22d和第五移相器22f的开口反向，这样的布局的主要原因是移相器22本身会带来一定的辐射，而移相器22的开口相反长度相等(或相近)，电流相位相反，辐射的能量可以互相抵消。在一个示例中，由于第一移相器22b的长度(实际指设置第一移相器22b之后多出的走线长度)为L_P，第二移相器22c长度为2*L_P，第三移相器22d长度为3*L_P，第四移相器22e长度为4*L_P，第五移相器22f长度为5*L_P，因此第一移相器22b、第二移相器22c和第四移相器22d的长度相加为7*L_P，第三移相器22e和第五移相器22f的长度为8*L_P，因此朝上(第一方向)和朝下(第二方向)移相器22的长度基本相近，电流基本抵消，减小了对天线方向图的影响。如图6所示，赋形后的远距离天线(第二天线20)与未赋形的远距离天线方向对比，当远距离天线波束赋形偏转角度为φ，其中φ＝14°时，做了波束赋形设计后，相对不做赋形，天线增益在14°附近，可以提高10.5dB，增加了雷达远距离探测能力。如图7所示，天线S11在很宽的频带都低于-20dB，满足实际使用要求。

请参阅图8，为传统的天线中布置开口方向一致的移相器220，通过如图9的方向图对比，可以看到通过移相器22的不同开口方向，可以增加远距离天线增益1.5dB，增益的增加可以明显提高雷达探测距离；同时通过移相器22的不同开口方向，明显降低了天线的副瓣电平，较低的副瓣电平可以降低外部噪声信号的干扰，提高雷达信噪比，也能提高雷达探测距离。

对于整体结构。

请参阅图1和图2，根据切比雪夫不等式计算得到的比例I₅，I₄，I₃，I₂，I₁，I₁，I₂，I₃，I₄，I₅，对第一辐射单元11的宽度进行等比例设计，通过第一馈线12将10个第一辐射单元11串接起来，第一馈线12为贴片单元传输能量。第二天线20的微带阵列形状尺寸与第一天线10相同，但是不限于第一天线10这样的形状尺寸。在一些实施例中，多个第一辐射单元11的长度相同，多个第一辐射单元11的宽度从两边至中间逐渐增加。多个第二辐射单元210的长度相同，多个第二辐射单元210的宽度从两边至中间逐渐增加。并且多个第一辐射单元11、多个第二辐射单元210均分别构成切比雪夫低副瓣阵列。

请参阅图10，本申请实施例的微带功分器23为1分6功分器由5个T型功分器构成，各T型功分器由T型节、传输线、阻抗匹配单元组成。第一级T型功分器231由传输线2311、阻抗匹配单元2312、T型节2313构成，传输线2311特性阻抗为50Ω；第二级T型功分器232与第四级T型功分器234形状尺寸一致，第二级T型功分器232由传输线2323、阻抗匹配单元2321和T型节2322组成，传输线2323特性阻抗为50Ω；第三级T型功分器233与第五级T型功分器235形状尺寸一致，第三级T型功分器233由传输线2331、2334、2335，阻抗匹配单元2332和T型节2333构成，传输线2331、2334、2335特性阻抗为50Ω。

传输线2334、2323、2343、2354、2355的50Ω输出端口分别连接第一移相器22b、第二移相器22c、第三移相器22d、第四移相器22e、第五移相器22f的一端。而传输线2335的50Ω输出端口直接连接第一微带线阵21a。

上述应用于交通雷达的MIMO天线设将开口方向相反的移相器22的长度设置为基本相等，可是使得电流相位相反，辐射的能量可以互相抵消，减小了对天线方向图的影响，增加天线增益，增益的增加可以明显提高雷达探测距离；从另一方面看，同时通过开口方向相反的移相器22的翻转，明显降低了天线的副瓣电平，较低的副瓣电平可以降低外部噪声信号的干扰，提高雷达信噪比，也能提高雷达探测距离。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于交通雷达的MIMO天线，包括：

2.如权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，所述移相器为U型结构、V型结构或M型结构。

3.如权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，多个所述第一辐射单元的长度相同，多个所述第一辐射单元的宽度从两边至中间逐渐增加。

4.如权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，多个所述第二辐射单元的长度相同，多个所述第二辐射单元的宽度从两边至中间逐渐增加。

5.如权利要求1所述的MIMO天线，其特征在于，所述第一辐射单元和所述第二辐射单元均为至少3个。

6.如权利要求1至5任一项所述的MIMO天线，其特征在于，多个所述第一辐射单元、多个所述第二辐射单元均分别构成切比雪夫低副瓣阵列。

7.如权利要求1至5任一项所述的MIMO天线，其特征在于，所述第二天线的增益最大方向相对所述第一天线的增益最大方向具有预设角度的波束偏转。

8.如权利要求7所述的MIMO天线，其特征在于：所述预设角度根据以下公式确定：

tanθ＝L/D；

tan(90-θ-φ)＝D/S；

OX＝(D²+L²)^1/2；

OY＝(D²+S²)^1/2；

其中，D为所述MIMO天线的安装位置到道路远离所述MIMO天线一侧边沿的距离，φ为所述预设角度，θ为所述第一天线的增益最大方向与车道宽度方向的夹角，L为所述第一天线的增益最大方向与道路边沿的交点在长度方向到所述MIMO天线的距离，S为所述第二天线的增益最大方向与道路边沿的交点在长度方向到所述MIMO天线的距离，OY是所述第一天线的探测距离，OX是所述第二天线的探测距离。

9.如权利要求7所述的MIMO天线，其特征在于，相邻的所述移相器的走线长度之间具有产生相位差的长度差，所述长度差根据以下公式确定：

P＝360°·sinφ°·λ₀/λ；

L_P＝λ₀·φ/360°；

其中，P为相邻的所述微带线阵的相位差，L_P为产生所述相位差的长度差，λ₀为相邻的所述微带线阵的中心距离，λ为所述MIMO天线的谐振频率对应的波长，φ为所述预设角度。

10.一种交通雷达，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的MIMO天线。