RU2682174C1 - Millimeter-range antenna array for the three-dimensional imaging radar system - Google Patents

Millimeter-range antenna array for the three-dimensional imaging radar system Download PDF

Info

Publication number
RU2682174C1
RU2682174C1 RU2018114495A RU2018114495A RU2682174C1 RU 2682174 C1 RU2682174 C1 RU 2682174C1 RU 2018114495 A RU2018114495 A RU 2018114495A RU 2018114495 A RU2018114495 A RU 2018114495A RU 2682174 C1 RU2682174 C1 RU 2682174C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
arrays
elements
linear
antenna array
Prior art date
Application number
RU2018114495A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Артем Юрьевич Никишов
Геннадий Александрович Евтюшкин
Артем Рудольфович Виленский
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to RU2018114495A priority Critical patent/RU2682174C1/en
Priority to KR1020190013700A priority patent/KR102628657B1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2682174C1 publication Critical patent/RU2682174C1/en
Priority to US16/375,977 priority patent/US11050167B2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/87Combinations of radar systems, e.g. primary radar and secondary radar
    • G01S13/878Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006Particular feeding systems
    • H01Q21/0012Radial guide fed arrays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065Patch antenna array

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: radio equipment.SUBSTANCE: invention relates to the field of radio equipment, particularly to the millimeter-range antenna arrays for 3D radar. Antenna array comprises M in-series arranged receiving (Rx) linear antenna arrays, each having 2N antenna elements, where M and N are natural numbers, and arranged opposite the said Rx arrays 2M in-series arranged transmitting (Tx) linear antenna arrays, wherein each of the Tx arrays comprising N antenna elements, wherein distance between the antenna elements in each of the Rx and Tx arrays is the same, wherein each of the Rx and Tx arrays is connected to the control circuit corresponding independent port, wherein each of the Rx and Tx arrays is configured to control the phase and amplitude on the control circuit side in order to form the beam pattern with the required characteristics.EFFECT: technical result is the field of view/resolution maximum ratio with minimum number of transceivers, reduction in the antenna array size due to the surface most efficient use.6 cl, 27 dwg, 2 tbl

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к антенной решетке миллиметрового диапазона для радиолокационной системы трехмерной визуализации.The present invention relates to radio engineering, and, more specifically, to a millimeter-wave antenna array for a three-dimensional visualization radar system.

Уровень техникиState of the art

Радиолокационная система трехмерной визуализации (3D радар) является одним из ключевых датчиков для автомобильной навигации. Главной функциональной возможностью 3D радара является предоставление разрешения объектов не только в азимутальной плоскости (горизонтали), но и в угломестной плоскости (вертикальной).A three-dimensional visualization radar system (3D radar) is one of the key sensors for car navigation. The main functionality of the 3D radar is to provide resolution of objects not only in the azimuthal plane (horizontal), but also in the elevation plane (vertical).

Следует отметить, что разрешением антенны (или 3D радара) в данном раскрытии считается ширина луча диаграммы направленности антенной решетки по уровню половинной мощности от максимального значения, или по уровню -3 децибела от максимума в децибельной системе отсчета. Полем обзора (FoV) антенны в данном раскрытии считается диапазон углов, в которых антенна может эффективно выполнять сканирование, сохраняя свои характеристики на приемлемом уровне.It should be noted that the resolution of the antenna (or 3D radar) in this disclosure is considered to be the beam width of the antenna array at half power from the maximum value, or at -3 decibels from the maximum in the decibel reference system. The antenna field of view (FoV) in this disclosure is the range of angles at which the antenna can efficiently scan while maintaining its characteristics at an acceptable level.

Как показано на Фиг. 1, традиционный (двухмерный радар, 2D) радар предоставляет возможность определять расстояние до цели и направление на нее только в азимутальной (горизонтальной) плоскости при широком FoV (около 80-120 градусов). Трехмерный (3D) радар при таком же широком FoV в азимутальной плоскости не требует широкого FoV в угломестной плоскости для автомобильной навигации: достаточно 10-20 градусов для анализа ситуации в угломестной плоскости для различных типов применений радара -для средней, для малой, для большой дальности.As shown in FIG. 1, the traditional (two-dimensional radar, 2D) radar provides the ability to determine the distance to the target and the direction to it only in the azimuthal (horizontal) plane with a wide FoV (about 80-120 degrees). Three-dimensional (3D) radar with the same wide FoV in the azimuthal plane does not require wide FoV in the elevation plane for car navigation: 10-20 degrees are enough to analyze the situation in the elevation plane for various types of radar applications - for medium, for short, for long range .

Основной проблемой для реализации радара с высоким разрешением является количество передатчиков и приемников. Для уменьшения числа требуемых передатчиков и приемников используется конфигурация антенной решетки MIMO. MIMO (множество входов - множество выходов) - метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн. Передающие и приемные антенны разносят так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой. Из уровня техники известна конфигурация антенной решетки MIMO для азимутальной плоскости для 2D радаров. В то же время наиболее оптимизированная конфигурация MIMO (виртуальной) антенной решетки для угломестной плоскости для 3D радара до сих пор не предложена в уровне техники.The main problem for implementing high-resolution radar is the number of transmitters and receivers. To reduce the number of transmitters and receivers required, a MIMO antenna array configuration is used. MIMO (multiple inputs - multiple outputs) is a spatial coding method for a signal, which allows to increase the channel bandwidth in which data is transmitted and received by systems from several antennas. Transmit and receive antennas are spaced so that the correlation between adjacent antennas is weak. The prior art configuration of the MIMO antenna array for the azimuthal plane for 2D radars. At the same time, the most optimized configuration of the MIMO (virtual) antenna array for the elevation plane for 3D radar has not yet been proposed in the prior art.

Известные из уровня техники виртуальные антенные решетки для 3D радара сталкиваются со следующими проблемами:The prior art virtual antennas for 3D radar have the following problems:

- Ограниченное число каналов Tx/Rx (передачи/приема) приемопередатчика приводит к низкому разрешению и, как следстиве, к небольшому соотношению поля обзора к разрешению (FoV/разрешение);- A limited number of Tx / Rx (transmit / receive) channels of the transceiver leads to low resolution and, as a result, to a small ratio of the field of view to resolution (FoV / resolution);

- Различные применения радара требуют различных характеристик для обеспечения должного соотношения FoV и разрешения, что приводит к тому, что требуется изготовление большого разноообразия антенных решеток и устройств;- Different applications of the radar require different characteristics to ensure the proper FoV ratio and resolution, which leads to the fact that the manufacture of a large variety of antenna arrays and devices is required;

- Неоптимизированное расположение антенных элементов приводит к избыточному использованию требуемой поверхности;- Non-optimized arrangement of antenna elements leads to excessive use of the required surface;

- Для уменьшения уровня боковых лепестков используется технология уменьшения поперечного размера излучателя к краям решетки относительно центральных элементов (tapering). Для достижения лучшего результата требуется выдерживать достаточно точное соотношение между попреречными размерами элементов. Таким образом, в линейной антенной решетке возрастают требования к технологическим допускам и проектированию.- To reduce the level of the side lobes, a technology is used to reduce the transverse size of the emitter to the edges of the grating relative to the central elements (tapering). To achieve a better result, it is necessary to maintain a fairly accurate ratio between the transverse dimensions of the elements. Thus, the requirements for technological tolerances and design increase in a linear antenna array.

В частности, среди аналогов настоящего изобретения в уровне техники известны следующие решения.In particular, among the analogues of the present invention, the following solutions are known in the art.

1) US 7,362,259 B2, 22-04-2008, ʺRadar antenna arrayʺ, Gottwald Frank, Robert Bosch GmbH.1) US 7,362,259 B2, 04/22/2008, ʺ Radar antenna array ʺ, Gottwald Frank, Robert Bosch GmbH.

В данном решении для подавления боковых лепестков в импульсных радиолокационных системах (радарах) характеристики передающей антенны и приемной антенны сконструированы таким образом, что доминирующие боковые лепестки оказываются взаимно смещенными, и их максимумы и минимумы взаимно подавляются. Это снижает вероятность обнаружения ложных целей.In this solution, to suppress side lobes in pulsed radar systems (radars), the characteristics of the transmitting antenna and the receiving antenna are designed in such a way that the dominant side lobes are mutually offset, and their maxima and minima are mutually suppressed. This reduces the likelihood of detecting false targets.

Данное решение имеет следующие недостатки:This solution has the following disadvantages:

- Боковые лепестки оптимизированы лишь в одном узком направлении;- Side lobes are optimized in only one narrow direction;

- Возможности сканирования не предполагаются: описаны лишь один приемопередатчик и один приемник;- Scanning capabilities are not expected: only one transceiver and one receiver are described;

- Применяется только для обнаружения объекта в области луча с маскировкой от ложных целей.- It is used only to detect an object in the area of the beam disguised from false targets.

2) US 8,624,775 B2, 07-01-2014, ʺRadar apparatus and antenna deviceʺ, Inami Kazuyoshi et al., Mitsubishi Electric Corp./Denso Corp.2) US 8,624,775 B2, 01-01-2014, ʺRadar apparatus and antenna deviceʺ, Inami Kazuyoshi et al., Mitsubishi Electric Corp./Denso Corp.

В данном решении описывается антенная решетка, содержащая с одной стороны четыре ряда линейных решеток, расположенных с равными интервалами в вертикальном направлении и расположенных с заданным интервалом в горизонтальном направлении. Эти решетки образуют каналы передачи, а остальные двенадцать рядов, расположенных с другой стороны, образуют группу каналов приема. Среди остальных двенадцати рядов четыре ряда линейных решеток в центре образуют первую приемную решетку, в которой каждый ряд установлен как канал. Восемь рядов линейных решеток с обеих сторон образуют вторую приемную решетку, в которой каждые два ряда установлены как канал.This solution describes an antenna array containing on one side four rows of linear arrays arranged at equal intervals in the vertical direction and arranged at a predetermined interval in the horizontal direction. These gratings form the transmission channels, and the remaining twelve rows located on the other hand form a group of reception channels. Among the remaining twelve rows, four rows of linear gratings in the center form the first receiving grating, in which each row is installed as a channel. Eight rows of linear gratings on both sides form a second receiving grating, in which every two rows are installed as a channel.

Данное решение имеет следующие недостатки:This solution has the following disadvantages:

- Виртуальное формирование луча реализуется через определенные подрешетки;- Virtual beamforming is implemented through specific sublattices;

- Требуется не менее 8 каналов для реализации.- Requires at least 8 channels for implementation.

3) US 2016/0285172 A1, 29-09-2016, ʺRadar deviceʺ, Kishigami Takaaki et al., Panasonic Corp.3) US 2016/0285172 A1, 09/29/2016, ʺRadar deviceʺ, Kishigami Takaaki et al., Panasonic Corp.

В данном решении описывается передающая антенная решетка и приемная антенная решетка. Каждая из них включает в себя множество элементов-подрешеток, при этом элементы-подрешетки в передающей антенной решетке и приемной антенной решетке расположены линейно в первом направлении, причем каждый элемент-подрешетка включает в себя множество антенных элементов, элемент-подрешетка имеет размер больше, чем заданное расстояние между антенными элементами в первом направлении, а абсолютное значение разности между расстоянием между элементами-подрешетками передающей антенны и расстоянием между элементами-подрешетками приемной антенной решетки равно заданному расстоянию между антенными элементами.This solution describes a transmitting antenna array and a receiving antenna array. Each of them includes many elements-sublattices, while the elements-sublattices in the transmitting antenna array and the receiving antenna array are linearly in the first direction, each element-sublattice includes many antenna elements, the element-lattice has a size larger than a predetermined distance between the antenna elements in the first direction, and the absolute value of the difference between the distance between the sublattice elements of the transmitting antenna and the distance between the sublattice elements of the receiving antenna of the antenna array is equal to the specified distance between the antenna elements.

Данное решение имеет следующие недостатки:This solution has the following disadvantages:

- Неэффективное использование поверхности;- Ineffective use of the surface;

- Передатчик и приемник имеют одинаковую конфигурацию. Виртуальное уменьшение размеров излучателей к краям решетки реализуется за счет разных расстояний между элементами.- The transmitter and receiver have the same configuration. A virtual reduction in the size of the emitters to the edges of the lattice is realized due to different distances between the elements.

4) US 9,541,639 B2, 10-01-2017, ʺMIMO antenna with elevation detectionʺ, Searcy James F et al., Delphi Technologies, Inc.4) US 9,541,639 B2, 10-01-2017, ʺMIMO antenna with elevation detectionʺ, Searcy James F et al., Delphi Technologies, Inc.

В данном решении описывается антенна с множеством входов и множеством выходов (MIMO) для радиолокационной системы, которая включает в себя приемную антенну, первое устройство передающей антенны и второе устройство передающей антенны. Приемная антенна сконфигурирована для обнаружения радиолокационных сигналов, отраженных целью в направлении приемной антенны. Второе устройство передающей антенны вертикально смещено относительно первого устройства передающей антенны на расстояние вертикального смещения, выбранное таким образом, чтобы угол места до цели мог быть определен приемной антенной.This solution describes an antenna with multiple inputs and multiple outputs (MIMO) for a radar system, which includes a receiving antenna, a first transmitting antenna device and a second transmitting antenna device. The receiving antenna is configured to detect radar signals reflected by a target in the direction of the receiving antenna. The second transmitting antenna device is vertically offset relative to the first transmitting antenna device by a vertical offset distance selected so that the elevation angle to the target can be determined by the receiving antenna.

Данное решение имеет следующие недостатки:This solution has the following disadvantages:

- Применяется только для отслеживания объектов в угломестной плоскости, но не для трехмерной визуализации- It is used only for tracking objects in the elevation plane, but not for three-dimensional visualization

- Отсутствие возможности сканирования в угломестной плоскости- Lack of scanning in elevation plane

- Нет оптимизации для уровня боковых лепестков- No optimization for side lobe level

Таким образом, в уровне техники сформировалась потребность в создании 3D радара с высоким разрешением и возможностью сканирования и в азимутальной, и в угломестной плоскостях. Как показано выше, известные технологии не подходят для разработки такого типа устройств.Thus, in the prior art, the need has arisen for creating a 3D radar with high resolution and the ability to scan in both azimuthal and elevation planes. As shown above, known technologies are not suitable for the development of this type of device.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание антенной решетки для 3D радара.In order to eliminate at least some of the aforementioned drawbacks of the prior art, the present invention is directed to an antenna array for a 3D radar.

Согласно настоящему изобретению предложена антенная решетка, содержащая: M последовательно расположенных первых линейных антенных решеток, каждая из которых содержит 2N антенных элементов, где M и N - натуральные числа, и 2M последовательно расположенных вторых линейных антенных решеток, размещенных напротив упомянутых первых решеток, причем каждая из вторых решеток содержит N антенных элементов, причем расстояние между антенными элементами в каждой из первых и вторых решеток является одинаковым, причем каждая из первых и вторых решеток подключена к соответствующему порту управляющей схемы и выполнена с возможностью управления фазой и амплитудой со стороны управляющей схемы, с тем чтобы формировать диаграмму направленности с требуемыми характеристиками, на каждом их которых причем каждый из портов управляющей схемы выполнен с возможностью устанавливать свои параметры амплитуды и начальной фазы сигнала, причем первыми решетками являются приемные (Rx) или передающие (Tx) решетки, а вторыми решетками являются, соответственно, передающие (Tx) или приемные (Rx) решетки.According to the present invention, an antenna array is provided, comprising: M sequentially arranged first linear antenna arrays, each of which contains 2N antenna elements, where M and N are natural numbers, and 2M sequentially arranged second linear antenna arrays located opposite said first arrays, each of the second arrays contains N antenna elements, the distance between the antenna elements in each of the first and second arrays being the same, each of the first and second arrays n connected to the corresponding port of the control circuit and configured to control the phase and amplitude from the side of the control circuit in order to form a radiation pattern with the required characteristics, each of which each of the ports of the control circuit is configured to set its own parameters of the amplitude and initial phase of the signal moreover, the first gratings are receiving (Rx) or transmitting (Tx) gratings, and the second gratings are, respectively, transmitting (Tx) or receiving (Rx) gratings.

В одном из вариантов осуществления антенные элементы выполнены на печатной плате.In one embodiment, the antenna elements are made on a printed circuit board.

В одном из вариантов осуществления антенные элементы выполнены в виде патчей, круглых патчей или щелей.In one embodiment, the antenna elements are in the form of patches, round patches, or slots.

В одном из вариантов осуществления антенная решетка дополнительно содержит управляющую схему.In one embodiment, the antenna array further comprises a control circuit.

В одном из вариантов осуществления упомянутые первые и вторые линейные антенные решетки являются частью антенны MIMO (со множеством входов и множеством выходов), содержащей несколько рядов Rx линейных решеток и несколько рядов Tx линейных решеток.In one embodiment, said first and second linear antenna arrays are part of a MIMO antenna (with multiple inputs and multiple outputs) comprising several rows of Rx linear arrays and several rows of Tx linear arrays.

В одном из вариантов осуществления управление фазой и амплитудой первых и вторых решеток выполняется так, чтобы при перемножении линий первых и вторых решеток происходило формирование виртуальной линейной антенной решетки с уменьшением размеров излучателей к ее краям.In one embodiment, the phase and amplitude control of the first and second gratings is performed so that when the lines of the first and second gratings are multiplied, a virtual linear antenna array is formed with a decrease in the size of the emitters to its edges.

Настоящее изобретение обеспечивает простой, универсальный и недорогой радар, который способен работать в миллиметровом диапазоне (мм-диапазоне), демонстрируя при этом улучшенные характеристики по сравнению с решениями, известными из уровня техники, а именно:The present invention provides a simple, versatile and inexpensive radar that is capable of operating in the millimeter range (mm range), while demonstrating improved performance compared to solutions known in the art, namely:

- Максимальное разрешение при минимальном числе приемопреедатчиков;- Maximum resolution with a minimum number of transceivers;

- Максимальное соотношение FoV/разрешение при минимальном числе приемопередатчиков;- Maximum FoV / resolution ratio with a minimum number of transceivers;

- Многофункциональность и упрощенная масштабируемость для выбора требуемого соотношения FoV/разрешение или реализации многорежимного радара;- Multifunctionality and simplified scalability for choosing the desired FoV / resolution ratio or implementing a multi-mode radar;

- Наименьший возможный размер устройства за счет наиболее эффективного использования поверхности;- The smallest possible size of the device due to the most efficient use of the surface;

- Упрощенная конструкция и сниженная чувствительность к технологическим допускам за счет виртуального уменьшения размеров излучателей к краям решетки, которое позволяет выполнять все антенные элементы в линии одинаковыми.- Simplified design and reduced sensitivity to technological tolerances due to the virtual reduction in the size of the emitters to the edges of the array, which allows you to make all antenna elements in the line the same.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На Фиг. 1 показаны примерные поля обзора для автомобильного радара.In FIG. 1 shows exemplary field of view for a car radar.

На Фиг. 2 показан вариант осуществления антенны согласно настоящему изобретению.In FIG. 2 shows an embodiment of an antenna according to the present invention.

На Фиг. 3 показан принцип работы предлагаемой антенны при n=1.In FIG. 3 shows the principle of operation of the proposed antenna at n = 1.

На Фиг. 4 показан принцип работы предлагаемой антенны при n=2.In FIG. 4 shows the principle of operation of the proposed antenna at n = 2.

На Фиг. 5 показан принцип работы предлагаемой антенны при n=N.In FIG. 5 shows the principle of operation of the proposed antenna at n = N.

На Фиг. 6 показаны примерные диаграммы направленности антенны согласно настоящему изобретению.In FIG. 6 shows exemplary radiation patterns of an antenna according to the present invention.

На Фиг. 7 показана результирующая диаграмма направленности предлагаемой антенны для N=3.In FIG. 7 shows the resulting radiation pattern of the proposed antenna for N = 3.

На Фиг. 8A-8D показаны различные варианты комбинирования блоков виртуальной антенной решетки.In FIG. 8A-8D show various combinations of virtual antenna array units.

На Фиг. 9 показан вариант реализации многорежимного радара.In FIG. 9 shows an embodiment of a multi-mode radar.

На Фиг. 10 показаны примеры исполнения излучателей.In FIG. 10 shows examples of the performance of the emitters.

На Фиг. 11 показан вариант осуществления антенны согласно настоящему изобретению в сочетании с классической MIMO конфигурацией.In FIG. 11 shows an embodiment of an antenna according to the present invention in combination with a classic MIMO configuration.

На Фиг. 12 показан образец экспериментальной антенны.In FIG. 12 shows a sample of an experimental antenna.

На Фиг. 13A-13C показаны диаграммы направленности, полученные на экспериментальной антенне.In FIG. 13A-13C show radiation patterns obtained with an experimental antenna.

На Фиг. 14 показаны диаграммы направленности, полученные при сканировании на экспериментальной антенне.In FIG. 14 shows radiation patterns obtained by scanning on an experimental antenna.

На Фиг. 15 показаны результаты проверки разрешающей способности экспериментальной антенны.In FIG. 15 shows the results of checking the resolution of the experimental antenna.

Подробное описаниеDetailed description

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается блок виртуальной антенной решетки, который содержит одну приемную (Rx) линейную антенную решетку (LAA) с 2N антенными элементами и расположенные напротив нее две передающие (Tx1 и Tx2) LAA с N антенными элементами в каждой, где N - натуральное число. В примере на Фиг. 2 показана решетка с N=3, где Rx LAA имеет 2*3=6 антенных элементов, а каждая из двух Tx LAA имеет по 3 антенных элемента. Эквивалентная схема для такого набора из трех LAA представляет собой виртуальную антенную решетку (VLAA), которая определяется как Rx LAA * ( Tx1 LAA+Tx2 LAA). Точками на фигуре показаны центры фазирования решеток. Антенные элементы изображены в виде квадратов со сплошной границей, а прямоугольники с пунктирной границей представляют линейные антенные решетки.In one embodiment of the present invention, there is provided a virtual antenna array unit that comprises one receiver (Rx) linear antenna array (LAA) with 2N antenna elements and two transmitting (Tx1 and Tx2) LAAs with N antenna elements located each opposite, where N is a natural number. In the example of FIG. Figure 2 shows an array with N = 3, where Rx LAA has 2 * 3 = 6 antenna elements, and each of the two Tx LAA has 3 antenna elements. The equivalent circuit for such a set of three LAAs is a virtual antenna array (VLAA), which is defined as Rx LAA * (Tx1 LAA + Tx2 LAA). The dots in the figure show the phasing centers of the arrays. The antenna elements are shown as squares with a solid border, and rectangles with a dashed border represent linear antenna arrays.

Следует отметить, что здесь и далее подразумевается, что Rx и Tx LAA могут взаимозаменяться. То есть вместо приемной антенны может использоваться передающая и наоборот.It should be noted that hereinafter it is understood that Rx and Tx LAA may be interchanged. That is, instead of a receiving antenna, a transmitting antenna can be used, and vice versa.

Полученная MIMO-решетка с возможностью сканирования в угломестной плоскости использует разное количество элементов в приемной и в передающей LAA, реализуя специальное соотношение апертуры. Такой подход позволяет обеспечить максимально возможное соотношение FoV/разрешение виртуальной антенной решетки и наиболее эффективное использование поверхности (апертуры антенны). Так как апертура Rx LAA равна апертуре двух Tx LAA, то предложенная антенная решетка имеет минимально возможный размер в вертикальной плоскости. За счет того, что в полученной антенне уменьшение размеров излучателей к краям решетки происходит автоматически (виртуально), можно выполнять все физические антенные элементы одинаковыми, что обеспечивает низкую чувствительность к технологическим допускам.The resulting MIMO grating with the ability to scan in the elevation plane uses a different number of elements in the receiving and transmitting LAAs, realizing a special aperture ratio. This approach allows you to ensure the highest possible FoV / resolution ratio of the virtual antenna array and the most efficient use of the surface (antenna aperture). Since the aperture Rx LAA is equal to the aperture of two Tx LAA, the proposed antenna array has the smallest possible size in the vertical plane. Due to the fact that in the resulting antenna, the reduction in the size of the emitters to the edges of the array occurs automatically (virtually), it is possible to perform all the physical antenna elements the same, which ensures low sensitivity to technological tolerances.

На Фиг. 3 показано, как функционирует предлагаемая антенна при n=1. Как и на предыдущей фигуре, точками на данной фигуре показаны центры фазирования решеток. Антенные элементы изображены в виде квадратов со сплошной границей, а прямоугольники с пунктирной границей представляют линейные антенные решетки. Две линейные решетки Tx для удобства показаны на фигуре как подрешетки единой решетки LAA1. Линейная решетка Rx показана как LAA2. Умножение линий антенных решеток LAA1 и LAA2 дает в результате виртуальную линейную антенную решетку VLAA, которая имеет 3 виртуальных элемента на расстоянии d друг от друга.In FIG. 3 shows how the proposed antenna functions at n = 1. As in the previous figure, the dots in this figure show the phasing centers of the arrays. The antenna elements are shown as squares with a solid border, and rectangles with a dashed border represent linear antenna arrays. Two linear Tx gratings are shown for convenience in the figure as sublattices of a single LAA 1 grating. The Rx line array is shown as LAA 2 . Multiplying the lines of the antenna arrays LAA 1 and LAA 2 results in a virtual linear antenna array VLAA, which has 3 virtual elements at a distance d from each other.

Первую и вторую линейные решетки можно описать следующим образом:The first and second linear lattices can be described as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Результатом их умножения будет являться следующее выражение:The result of their multiplication will be the following expression:

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

гдеWhere

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Таким образом, получившаяся виртуальная антенная решетка может быть описана так:Thus, the resulting virtual antenna array can be described as follows:

Figure 00000007
)
Figure 00000007
)

То есть, в случае фазирования элементов LAA1 с фазой αoo до центра фазирования первой подрешетки LAA1 и -αo до центра фазирования второй подрешетки LAA1, и наоборот), чтобы сформировать луч на угле αo, VLAA должна иметь следующее фазовое распределение:That is, in the case of phasing the elements LAA 1 with phase α oo to the phasing center of the first sublattice LAA 1 and -α o to the phasing center of the second sublattice LAA 1 , and vice versa), in order to form a beam at an angle α o , VLAA must have following phase distribution:

'o для 1-го элемента, 0o для 2-го элемента и α'o для 3-го элемента;'o for the 1st element, 0 o for the 2nd element and α ' o for the 3rd element;

и следующее амплитудное распределение:and the following amplitude distribution:

Figure 00000008
для 1-го элемента,
Figure 00000009
для 2-го элемента и
Figure 00000008
для 3-го элемента.
Figure 00000008
for the 1st element,
Figure 00000009
for the 2nd element and
Figure 00000008
for the 3rd element.

На Фиг. 4 показано, как функционирует предлагаемая антенна при n=2. Для лучшего понимания изобретения результирующая виртуальная решетка показана дважды: выше в пределах фигурных скобок показаны со сдвигом по вертикали три виртуальных подрешетки, из которых состоит виртуальная решетка, а в целом ее эквивалентная конфигурация изображена ниже. Как можно видеть, третий и пятый элементы (показаны в виде элементов с отличающейся от других заливкой) - это перекрывающиеся элементы.In FIG. 4 shows how the proposed antenna works with n = 2. For a better understanding of the invention, the resulting virtual lattice is shown twice: above, inside the curly brackets, three virtual sublattices of which the virtual lattice consists, and in general its equivalent configuration is shown below, are shown with vertical shift. As you can see, the third and fifth elements (shown as elements with a different fill from the others) are overlapping elements.

Для данного примера справедливы следующие равенства:For this example, the following equalities are true:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000006
Figure 00000006

Получившаяся виртуальная антенная решетка может быть описана так:The resulting virtual antenna array can be described as follows:

Figure 00000011
)
Figure 00000011
)

Далее на Фиг. 5 показано, как функционирует предлагаемая антенна при n=N. Умножение линий антенных решеток LAA1 и LAA2 дает в результате виртуальную линейную антенную решетку VLAA, которая имеет 4N-1 виртуальных элемента на расстоянии d друг от друга.Further in FIG. 5 shows how the proposed antenna functions at n = N. Multiplying the lines of the antenna arrays LAA 1 and LAA 2 results in a virtual linear antenna array VLAA, which has 4N-1 virtual elements at a distance d from each other.

Как и на предыдущей фигуре, результирующая виртуальная решетка показана дважды: выше в ряда показаны со сдвигом по вертикали составляющие виртуальные подрешетки, а в целом ее эквивалентная конфигурация виртуальной решетки изображена ниже.As in the previous figure, the resulting virtual lattice is shown twice: above in a row the components of the virtual sublattices are shown with a vertical shift, but in general its equivalent virtual lattice configuration is shown below.

Для данного примера справедливы следующие равенства:For this example, the following equalities are true:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000006
Figure 00000006

Получившаяся виртуальная антенная решетка может быть описана так:The resulting virtual antenna array can be described as follows:

Figure 00000013
Figure 00000013

))

То есть, в случае фазирования элементов LAA1 с фазой αoo до центра фазирования первой подрешетки LAA1 и -αo до центра фазирования второй подрешетки LAA1, и наоборот), чтобы сформировать луч на угле αo, VLAA должна иметь такое амплитудное и фазовое распределение, которое указано в выражении выше.That is, in the case of phasing the elements LAA 1 with phase α oo to the phasing center of the first sublattice LAA 1 and -α o to the phasing center of the second sublattice LAA 1 , and vice versa), in order to form a beam at an angle α o , VLAA must have such amplitude and phase distribution, which is indicated in the expression above.

Примерные диаграммы направленности антенны согласно настоящему изобретению показаны на Фиг. 6. Так, если луч направлен в главном направлении (0 градусов, не отклонен - показано линией (1)), то вышеуказанное уравнение, описывающее работу VLAA, можно упростить доExemplary antenna patterns of the present invention are shown in FIG. 6. So, if the beam is directed in the main direction (0 degrees, not deflected - shown by line (1)), then the above equation describing the operation of VLAA can be simplified to

Figure 00000014
).
Figure 00000014
)

Полученная VLAA работает как антенная решетка с уменьшением размеров излучателей к краям: расположенный посередине элемент имеет наибольшую амплитуду пропорционально 2N. Крайние элементы имеют самую низкую амплитуду пропорционально 1. Это идеально подходит для радара слежения, когда необходимо отслеживать положение в угломестной плоскости одной цели.The obtained VLAA works as an antenna array with a reduction in the size of the emitters to the edges: the element located in the middle has the largest amplitude in proportion to 2N. The outermost elements have the lowest amplitude in proportion to 1. This is ideal for tracking radar, when you need to track the position in the elevation plane of one target.

Если луч отклонен на угол α' (показано линией (2)), то вышеуказанное уравнение, описывающее работу VLAA, можно упростить доIf the beam is deflected through an angle α ' (shown by line (2)), then the above equation describing the operation of VLAA can be simplified to

Figure 00000015
)
Figure 00000015
)

Таким образом, при отклонении на α' полученная VLAA работает как антенная решетка с 3-фазными элементами, находящимися на расстоянии d друг от друга, что обеспечивает минимальный уровень боковых лепестков и максимальное соотношение FoV/разрешение.Thus, when deflected by α ', the resulting VLAA works as an antenna array with 3-phase elements spaced d apart from each other, which ensures a minimum level of side lobes and a maximum FoV / resolution ratio.

Если луч отклонен больше чем на угол α' (показано линией (3)), то вышеуказанное уравнение, описывающее работу VLAA, можно упростить доIf the beam is deflected by more than an angle α ' (shown by line (3)), then the above equation describing the operation of VLAA can be simplified to

Figure 00000016
)
Figure 00000016
)

При таком отклонении полученная VLAA работает как антенная решетка со значительным ухудшением амплитуды центральных элементов. Это приводит к значительному росту боковых лепестков и делает 3D радар нерабочим при углах, превышающих α'.With this deviation, the resulting VLAA works as an antenna array with a significant deterioration in the amplitude of the central elements. This leads to a significant increase in the side lobes and makes the 3D radar inoperative at angles greater than α ' .

Далее приводится расчет FoV, разрешения, угла α' и возможности сканирования. Как следует из случая (2) с отклонением луча на угол α' на Фиг., допустимый уровень боковых лепестков при сканировании составляет 1. Таким образом, должно выполняться равенство

Figure 00000017
.The following is a calculation of FoV, resolution, angle α ' and scanning capabilities. As follows from case (2) with the beam deflected by an angle α ' in Fig., The permissible level of the side lobes during scanning is 1. Thus, the equality
Figure 00000017
.

Это означает, что

Figure 00000018
или
Figure 00000019
.It means that
Figure 00000018
or
Figure 00000019
.

В случае

Figure 00000020
угол α' примет значение
Figure 00000021
.When
Figure 00000020
angle α ' takes on value
Figure 00000021
.

Ширина луча в таком случае составит

Figure 00000022
.The beam width in this case will be
Figure 00000022
.

Соотношение FoV/разрешение=2.FoV / resolution ratio = 2.

Примерные результаты расчета для разных N сведены в таблицу 1. Для удобства понимания результаты округлены.Sample calculation results for different N are summarized in table 1. For ease of understanding, the results are rounded.

Таблица 1Table 1

NN αα ''' РазрешениеResolution FoVFov 1one 19,4°19.4 ° 40°40 ° 80°80 ° 22 9,6°9.6 ° 20°20 ° 40°40 ° 33 6,0°6.0 ° 12°12 ° 24°24 ° 4four 4,8°4.8 ° 9,6°9.6 ° 20°20 °

Кроме того, результирующая диаграмма направленности для конкретного случая с N=3 изображена на Фиг. 7.In addition, the resulting radiation pattern for a particular case with N = 3 is shown in FIG. 7.

Выше в настоящем раскрытии был описан блок виртуальной антенной решетки. Объединяя несколько таких блоков виртуальной антенной решетки путем их последовательного добавления друг к другу, можно получить любое желаемое FoV и разрешение в угломестной плоскости, по-прежнему сохранив характеристику виртуального уменьшения размеров излучателей к краям решетки, присущую одиночному блоку с N=1. Таким образом, для обеспечения более высокого разрешения и/или более широкого FoV достаточно всего лишь поставить в ряд несколько одинаковых блоков вместо того, чтобы проектировать новую антенну, удовлетворяющую заданным требованиям. Соответственно, обеспечивается упрощенное масштабирование антенны.Above in the present disclosure, a virtual antenna array unit has been described. Combining several such blocks of the virtual antenna array by adding them to each other in series, you can get any desired FoV and resolution in the elevation plane, while still preserving the characteristic of virtual reduction in the size of the emitters to the edges of the array, inherent in a single block with N = 1. Thus, to provide a higher resolution and / or wider FoV, it is enough to just put several identical blocks in a row instead of designing a new antenna that meets the given requirements. Accordingly, simplified antenna scaling is provided.

Кроме того, имея одинаковую антенну, состоящую из нескольких блоков виртуальной антенной решетки, можно управлять фазой имеющихся антенных элементов (включением в фазе и противофазе друг относительно друга) и их амплитудой (включением и выключением), все еще сохраняя характеристику виртуального уменьшения размеров излучателей к краям решетки, и тем самым составлять различные комбинации FoV и разрешения без изменения геометрии линий и элементов. То есть масштабирование антенны согласно настоящему изобретению может выполняться как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Более того, появляется возможность обеспечения многорежимного радара в рамках одного и того же устройства (на одной плате).In addition, having the same antenna, consisting of several blocks of a virtual antenna array, it is possible to control the phase of existing antenna elements (switching in phase and antiphase relative to each other) and their amplitude (turning on and off), while still maintaining the characteristic of a virtual reduction in the size of the emitters to the edges lattice, and thus make up various combinations of FoV and resolution without changing the geometry of lines and elements. That is, the scaling of the antenna according to the present invention can be performed both upward and downward. Moreover, it becomes possible to provide multi-mode radar within the same device (on the same board).

На фигурах 8A-8D показаны различные варианты комбинирования блоков виртуальной антенной решетки, имеющей 8 Rx-элементов и 8 Tx-элементов, для получения различных сочетаний FoV и разрешения.Figures 8A-8D show various combinations of virtual antenna array units having 8 Rx elements and 8 Tx elements to produce various combinations of FoV and resolution.

В частности, на Фиг. 8A проиллюстрирован вышеописанный вариант, в котором сформирована одна линейная решетка Rx с 2*4=8 элементами и две линейных решетки Tx с 4 элементами в каждой (далее в настоящем документе - Исполнение 1). Здесь обеспечивается соотношение FoV/разрешение=2, и при этом коэффициент усиления относительно высок. Такое исполнение подходит для применения в качестве радара средней дальности.In particular, in FIG. 8A, the above-described embodiment is illustrated in which one Rx linear array with 2 * 4 = 8 elements and two Tx linear arrays with 4 elements in each is formed (hereinafter referred to as Execution 1). This provides the ratio FoV / resolution = 2, and the gain is relatively high. This design is suitable for use as a medium-range radar.

На Фиг. 8B проиллюстрирован вариант, в котором из имеющихся 8 Rx-элементов и 8 Tx-элементов сформирована одна линейная решетка Rx с 2*4=8 элементами и одна линейная решетка Tx с 8 элементами (далее в настоящем документе - Исполнение 2). Здесь обеспечивается соотношение FoV/разрешение=1, то есть сканировать такая антенна не может, зато при этом обеспечивается более высокий коэффициент усиления. Такое исполнение подходит для применения в качестве радара большой дальности для отслеживания одной цели.In FIG. 8B, an embodiment is illustrated in which of the 8 Rx elements and 8 Tx elements formed, one Rx linear lattice with 2 * 4 = 8 elements and one Tx linear lattice with 8 elements (hereinafter referred to as Execution 2). Here the ratio FoV / resolution = 1 is provided, that is, such an antenna cannot scan, but at the same time a higher gain is provided. This design is suitable for use as a long-range radar to track a single target.

На Фиг. 8C проиллюстрирован вариант, в котором из имеющихся 8 Rx-элементов и 8 Tx-элементов сформировано две линейных решетки Rx с 2*2=4 элементами в каждой и четыре линейных решетки Tx с 2 элементами в каждой (далее в настоящем документе - Исполнение 3). Здесь обеспечивается большее соотношение FoV/разрешение и меньший коэффициент усиления. Такое исполнение подходит для применения в качестве радара малой дальности.In FIG. 8C, an embodiment is illustrated in which of the 8 Rx elements and 8 Tx elements formed, two Rx linear arrays with 2 * 2 = 4 elements in each and four Tx linear arrays with 2 elements in each (hereinafter referred to as Execution 3) . This provides a higher FoV / resolution and lower gain. This design is suitable for use as a short-range radar.

В приведенных выше трех вариантах осуществления задействованы все 8 Rx-элементов и 8 Tx-элементов, и можно заметить, что разрешение (ширина луча диаграммы направленности) в них сохраняется одинаковым. На Фиг. 8D проиллюстрирован вариант, в котором из имеющихся 8 Rx-элементов и 8 Tx-элементов сформирована одна линейная решетка Rx с 2*2=4 элементами и две линейных решетки Tx с 2 элементами в каждой (далее в настоящем документе - Исполнение 4). Остальные 4 Rx-элемента и 4 Tx-элемента не задействованы (выключены). Как и в Исполнении 3, здесь обеспечивается большое FoV и небольшой коэффициент усиления. Разрешение при этом увеличено, поэтому соотношение FoV/разрешение здесь несколько меньше, чем в Исполнении 3. Такое исполнение также подходит для применения в качестве радара малой дальности.In the above three embodiments, all 8 Rx elements and 8 Tx elements are involved, and you can see that the resolution (beam width of the radiation pattern) in them remains the same. In FIG. 8D illustrates an embodiment in which of the 8 Rx elements and 8 Tx elements formed, one Rx linear lattice with 2 * 2 = 4 elements and two Tx linear lattices with 2 elements in each (hereinafter referred to as Execution 4). The remaining 4 Rx-elements and 4 Tx-elements are not involved (off). As in Version 3, a large FoV and a small gain are provided here. The resolution is increased, therefore, the FoV / resolution ratio is slightly lower than in Version 3. This version is also suitable for use as a short-range radar.

Пример того, как именно можно реализовать многорежимный радар, управляя фазой и амплитудой его составляющих антенных элементов, проиллюстрирован на Фиг. 9. Антенные элементы подключены к независимым портам управляющей схемы, которые выполнены с возможностью устанавливать на них свои фазы и амплитуды. От независимых портов управляющей схемы на антенные элементы могут подаваться любые фазы и амплитуды, подходящие для того, чтобы в результате формировалась виртуальная линейная антенная решетка с уменьшением размеров излучателей к ее краям, имеющая требуемую диаграмму направленности с заданным разрешением и отклонением главного луча. Соответствующие вычисления производятся согласно теории антенных решеток.An example of how it is possible to realize a multi-mode radar by controlling the phase and amplitude of its component antenna elements is illustrated in FIG. 9. Antenna elements are connected to independent ports of the control circuit, which are configured to set their phases and amplitudes on them. From the independent ports of the control circuit, any phases and amplitudes suitable for the formation of a virtual linear antenna array with a reduction in the size of the emitters to its edges, having the desired radiation pattern with a given resolution and main beam deviation, can be supplied to the antenna elements. Corresponding calculations are made according to the theory of antenna arrays.

В частности, в примере на Фиг. 9 к двум независимым Rx-портам управляющей схемы подключены по 4 последовательно расположенных Rx-элемента, а к четырем независимым Tx-портам управляющей схемы подключены по 2 последовательно расположенных Tx-элемента.In particular, in the example of FIG. 9, 4 Rx-elements in series are connected to two independent Rx-ports of the control circuit, and 2 Tx-elements in series are connected to four independent Tx-ports of the control circuit.

Чтобы получить вышеописанные Исполнения 1-4 с помощью такого устройства, необходимо управлять независимыми портами управляющей схемы следующим образом:In order to obtain the above-described Executions 1-4 using such a device, it is necessary to control the independent ports of the control circuit as follows:

Исполнение 1Execution 1

- Синфазная работа Rx#1 и Rx#2- Common mode operation Rx # 1 and Rx # 2

- Синфазная работа Tx#1 и Tx#2- Common mode operation Tx # 1 and Tx # 2

- Синфазная работа Tx#3 и Rx#4- Common mode operation Tx # 3 and Rx # 4

- Фазирование (Tx#1 и Tx#2) относительно (Tx#3 и Tx#4)- Phasing (Tx # 1 and Tx # 2) relative to (Tx # 3 and Tx # 4)

Исполнение 2Execution 2

- Синфазная работа Rx#1 и Rx#2- Common mode operation Rx # 1 and Rx # 2

- Синфазная работа Tx#1... Tx#4- Common mode operation Tx # 1 ... Tx # 4

Исполнение 3Execution 3

- Фазирование Rx#1 относительно Rx#2- Phasing Rx # 1 relative to Rx # 2

- Фазирование Tx#1... Tx#4- Phasing Tx # 1 ... Tx # 4

Исполнение 4Execution 4

- Включить Rx#1/Отключить Rx#2 (или наоборот)- Enable Rx # 1 / Disable Rx # 2 (or vice versa)

- Фазирование Tx#1 относительно Tx#2/Отключить Tx#3, Tx#4 (или наоборот)- Phasing Tx # 1 relative to Tx # 2 / Disable Tx # 3, Tx # 4 (or vice versa)

Для реализации блока виртуальной антенной решетки согласно настоящему изобретению допустимо широкое разнообразие различных вариантов осуществления. Примеры таких вариантов осуществления показаны на Фиг. 10. В частности, применимы любые варианты печатных плат без уменьшения размеров патчей к краям решетки в угломестной плоскости. Также применимы любые варианты печатных плат, в которых может быть выделено целое число ячеек и которые содержат, например, 1 линию Rx с 2N антенными элементами и 2 линии Tx с N антенными элементами, или в целом M линий Rx (или Tx) с 2N антенными элементами и 2M линий Tx (или Rx) с N антенными элементами, где M и N - любые натуральные числа. В качестве антенных элементов могут применяться любые возможные антенные элементы: патчи, круглые патчи, щели и т.д.To implement the virtual antenna array unit according to the present invention, a wide variety of different embodiments are acceptable. Examples of such embodiments are shown in FIG. 10. In particular, any PCB options are applicable without reducing the size of the patches to the edges of the grating in the elevation plane. Any variant of printed circuit boards in which an integer number of cells can be selected and which contain, for example, 1 Rx line with 2N antenna elements and 2 Tx lines with N antenna elements, or in general M Rx (or Tx) lines with 2N antennas is also applicable. elements and 2M lines of Tx (or Rx) with N antenna elements, where M and N are any natural numbers. Any possible antenna elements can be used as antenna elements: patches, round patches, slots, etc.

Также описанная в изобретении MIMO решетка для визуализации объекта в угломестной плоскости может быть использована в сочетании с классической MIMO конфигурацией (показано на Фиг. 11 с k передатчиками и m приемниками) в горизонтальной плоскости для реализации 3D радара.Also described in the invention, a MIMO lattice for visualizing an object in the elevation plane can be used in combination with the classical MIMO configuration (shown in Fig. 11 with k transmitters and m receivers) in a horizontal plane to realize a 3D radar.

В целях подтверждения практических характеристик антенны авторами изобретения проведены эксперименты, в ходе которых проверялось формирование диаграммы направленности антенны для N=3: суммарные и разностные диаграммы направленности, цифровое формирование диаграммы направленности. Образец экспериментальной антенны, на которой проводились испытания, показан на Фиг. 12.In order to confirm the practical characteristics of the antenna, the inventors conducted experiments in which the formation of the antenna radiation pattern for N = 3 was verified: total and difference radiation patterns, digital radiation pattern formation. A sample of the experimental antenna that was tested is shown in FIG. 12.

Результаты тестирования приведены на Фиг. 13A (суммарная диаграмма направленности, 79 ГГц, главное направление), Фиг. 13B (суммарная и разностная диаграмма направленности в угломестной плоскости, 79 ГГц, для следящего радара), Фиг. 13C (формирование диаграммы направленности в угломестной плоскости и в азимутальной плоскости, 79 ГГц, для 3D радара).The test results are shown in FIG. 13A (summary radiation pattern, 79 GHz, main direction), FIG. 13B (total and difference radiation pattern in the elevation plane, 79 GHz, for tracking radar), FIG. 13C (beamforming in the elevation plane and in the azimuthal plane, 79 GHz, for 3D radar).

Как можно заметить, предлагаемая виртуальная антенная решетка может использоваться как для следящего радара, так и для 3D радара. Так, для следящего радара уровень боковых лепестков составил -27 дБ. Для 3D радара уровень боковых лепестков в пределах FoV не превышает -10 дБ в угломестной плоскости за счет реализации специального соотношения апертур приемной (приемных) и передающей (передающих) антенн, что составляет суть изобретения.As you can see, the proposed virtual antenna array can be used for both tracking radar and 3D radar. So, for the tracking radar, the level of the side lobes was -27 dB. For a 3D radar, the level of the side lobes within the FoV does not exceed -10 dB in the elevation plane due to the implementation of a special ratio of the apertures of the receiving (receiving) and transmitting (transmitting) antennas, which is the essence of the invention.

Также в ходе экспериментов была проверена разрешающая способность предложенной антенны, то есть способность различать разные объекты, находящиеся в пределах поля обзора. Так, например, если два объекта находятся в области главного луча, то они будут восприняты радаром как один и тот же объект. Если же выполнять сканирование лучом, то в определенные моменты времени в зоне действия луча может оказываться лишь один из этих объектов, а второй может становиться «невидимым» для радара, и наоборот, что позволит различить эти объекты друг от друга.Also during the experiments, the resolution of the proposed antenna was checked, that is, the ability to distinguish between different objects that are within the field of view. So, for example, if two objects are in the region of the main beam, then they will be perceived by the radar as one and the same object. If a beam scan is performed, then at certain points in time only one of these objects can appear in the beam’s area of influence, and the second can become “invisible” to the radar, and vice versa, which will make it possible to distinguish these objects from each other.

Диаграммы направленности антенны, полученные при сканировании, показаны на Фиг. 14. В частности, показаны 5 положений: с направлением главного луча на -5°, -2,5°, 0°, 2,5°, 5°. На Фиг. 15 изображена часть вышеуказанного графика от уровня 0 дБ до уровня -3 дБ, в пределах которой проверялась способность радара обнаруживать разные объекты.The antenna patterns obtained by scanning are shown in FIG. 14. In particular, 5 positions are shown: with the direction of the main beam at -5 °, -2.5 °, 0 °, 2.5 °, 5 °. In FIG. 15 shows a part of the above graph from a level of 0 dB to a level of -3 dB, within which the ability of the radar to detect different objects was tested.

Выполнены проверки для 3 ситуаций: 1) объекты #1 и #2 расположены вблизи друг от друга на расстоянии менее 10° с точки зрения радара; 2) объекты #1 и #2 расположены относительно далеко друг от друга на расстоянии более 10° с точки зрения радара; 3) объекты #1, #2 и #3 расположены в точках -10°, 0° и 10° с точки зрения радара. Результаты сканирования (число объектов, попавших в зону действия луча) сведены в нижеследующую таблицу 2.Checks were performed for 3 situations: 1) objects # 1 and # 2 are located close to each other at a distance of less than 10 ° from the point of view of the radar; 2) objects # 1 and # 2 are located relatively far from each other at a distance of more than 10 ° from the point of view of the radar; 3) objects # 1, # 2 and # 3 are located at -10 °, 0 ° and 10 ° from the point of view of the radar. The scan results (the number of objects falling into the beam coverage area) are summarized in the following table 2.

Таблица 2table 2

Ситуация/направление главного лучаThe situation / direction of the main beam -5°-5 ° -2,5°-2.5 ° 0 ° 2,5°2.5 ° 5 ° 1) 2 объекта близко1) 2 objects close 1one 22 22 22 1one 2) 2 объекта далеко2) 2 objects far 1one 1one 1one -- 1one 3) 3 объекта3) 3 objects 22 1one 1one 1one 22

Как видно из таблицы и из графика на Фиг. 15, при сканировании действительно возникают моменты, когда радар обнаруживает два объекта, только один из объектов или вообще ни один из них. В первом случае радар не может разделить два объекта, во втором случае объект может разделить два объекта, находящихся на расстоянии, превышающем или равном разрешению радара. И, наконец, в предельном случае радар может разделить три объекта.As can be seen from the table and from the graph in FIG. 15, when scanning, there really are times when the radar detects two objects, only one of the objects or none of them at all. In the first case, the radar cannot separate two objects, in the second case, the object can separate two objects located at a distance greater than or equal to the resolution of the radar. And finally, in the extreme case, the radar can separate three objects.

ПрименениеApplication

Настоящее изобретение может быть использовано в качестве всепогодного многорежимного 3D радара, например, для автомобильной навигации, помощи водителю, автономного вождения, навигации роботов и для множества других подходящих применений.The present invention can be used as an all-weather multi-mode 3D radar, for example, for car navigation, driver assistance, autonomous driving, robot navigation, and for many other suitable applications.

В частности, в случае использования для управления обслуживающим роботом, таким как ухаживающий робот, робот-официант и т.д., навигация может быть основана на трехмерной сканируемой с помощью радара карте окружающего пространства. В случае использования для помощи водителю или автономного вождения с помощью радара можно обнаруживать более быструю полосу движения путем трехмерного сканирования препятствий и движущихся автомобилей, а также можно уведомлять водителя с использованием активной обратной связи, например, звука, дисплея, наголовного дисплея или руля. Кроме того, в случае автономного вождения настоящее изобретение позволяет увеличить разрешение радара при ограниченном числе доступных передатчиков и приемников, а также позволяет использовать одно и то же устройство для разных применений (отслеживание одной или нескольких целей, применение для разной дальности - малой, средней, большой).In particular, when used to control a service robot, such as a caring robot, a robot waiter, etc., navigation can be based on a three-dimensional radar-scanned map of the surrounding space. When used for driver assistance or autonomous driving, the radar can detect a faster lane by three-dimensional scanning of obstacles and moving cars, and you can also notify the driver using active feedback such as sound, display, head-mounted display or steering wheel. In addition, in the case of autonomous driving, the present invention allows to increase the resolution of the radar with a limited number of available transmitters and receivers, and also allows you to use the same device for different applications (tracking one or more targets, application for different ranges - small, medium, large )

Следует понимать, что в настоящем документе показаны принцип построения и базовые примеры многорежимного 3D радара. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.It should be understood that this document shows the construction principle and basic examples of multi-mode 3D radar. A person skilled in the art, using these principles, will be able to obtain other embodiments of the invention without creative efforts.

Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.It should be understood that although in this document to describe various elements, components, areas, layers and / or sections, terms such as "first", "second", "third" and the like can be used, these elements, components , areas, layers and / or sections should not be limited to these terms. These terms are used only to distinguish one element, component, region, layer or section from another element, component, region, layer or section. Thus, a first element, component, region, layer or section may be called a second element, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention. In the present description, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the corresponding items listed. The elements mentioned in the singular do not exclude the plurality of elements, unless specifically indicated otherwise.

Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.The functionality of the element indicated in the description or claims as a single element can be implemented in practice through several components of the device, and vice versa, the functionality of the elements indicated in the description or claims as several separate elements can be implemented in practice through a single component.

В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенного устройства находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.In one embodiment, the elements / blocks of the proposed device are located in a common housing, are located on the same frame / structure / printed circuit board and are structurally connected to each other by means of assembly (assembly) operations and functionally by means of communication lines. The mentioned communication lines or channels, unless otherwise indicated, are standard communication lines known to specialists, the material implementation of which does not require creative efforts. A communication line can be a wire, a set of wires, a bus, a track, a wireless communication line (inductive, radio frequency, infrared, ultrasonic, etc.). Communication protocols over communication lines are known to specialists and are not disclosed separately.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.The functional connection of elements should be understood as a connection that ensures the correct interaction of these elements with each other and the implementation of one or another functionality of the elements. Particular examples of functional communication may be communication with the possibility of exchanging information, communication with the possibility of transmitting electric current, communication with the possibility of transmitting mechanical motion, communication with the possibility of transmitting light, sound, electromagnetic or mechanical vibrations, etc. The specific type of functional connection is determined by the nature of the interaction of the mentioned elements, and, unless otherwise indicated, is provided by well-known means using principles well known in the art.

Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.The design of the elements of the proposed device is known to specialists in this field of technology and is not described separately in this document, unless otherwise indicated. The elements of the device may be made of any suitable material. These components can be made using known methods, including, by way of example only, machining on machines, investment casting, and crystal growth. Assembly, connection and other operations in accordance with the above description also correspond to the knowledge of a person skilled in the art and, therefore, will not be explained in more detail here.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения. Although exemplary embodiments have been described in detail and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are merely illustrative and not intended to limit the present invention, and that the present invention should not be limited to the particular arrangements and structures shown and described, since various other modifications may also be apparent to a person skilled in the art based on the information set forth in the description and knowledge of the prior art. options for carrying out the invention, not beyond the essence and scope of this invention.

Claims (11)

1. Антенная решетка, содержащая:1. Antenna array containing: M последовательно расположенных первых линейных антенных решеток, каждая из которых содержит 2N антенных элементов, где M и N - натуральные числа, иM sequentially arranged first linear antenna arrays, each of which contains 2N antenna elements, where M and N are natural numbers, and 2M последовательно расположенных вторых линейных антенных решеток, размещенных в той же плоскости на противоположной стороне упомянутой антенной решетки относительно упомянутых первых линейных антенных решеток, причем каждая из вторых линейных антенных решеток содержит N антенных элементов,2M sequentially arranged second linear antenna arrays arranged in the same plane on the opposite side of said antenna array relative to said first linear antenna arrays, each of the second linear antenna arrays containing N antenna elements, причем расстояние между антенными элементами в каждой из первых и вторых линейных антенных решеток является одинаковым,moreover, the distance between the antenna elements in each of the first and second linear antenna arrays is the same, причем каждая из первых и вторых линейных антенных решеток подключена к соответствующему независимому порту управляющей схемы и выполнена с возможностью управления фазой и амплитудой со стороны управляющей схемы, с тем чтобы формировать диаграмму направленности с требуемыми характеристиками, причем каждый из портов управляющей схемы выполнен с возможностью устанавливать свои параметры амплитуды и начальной фазы сигнала,moreover, each of the first and second linear antenna arrays is connected to the corresponding independent port of the control circuit and is configured to control the phase and amplitude from the side of the control circuit in order to form a radiation pattern with the desired characteristics, each of the ports of the control circuit is configured to set its own parameters of the amplitude and initial phase of the signal, причем первыми линейными антенными решетками являются приемные (Rx) или передающие (Tx) решетки, а вторыми линейными антенными решетками являются, соответственно, передающие (Tx) или приемные (Rx) решетки.moreover, the first linear antenna arrays are receiving (Rx) or transmitting (Tx) arrays, and the second linear antenna arrays are transmitting (Tx) or receiving (Rx) arrays, respectively. 2. Антенная решетка по п. 1, в которой антенные элементы выполнены на печатной плате.2. The antenna array according to claim 1, in which the antenna elements are made on a printed circuit board. 3. Антенная решетка по п. 2, в которой антенные элементы выполнены в виде патчей, круглых патчей или щелей.3. The antenna array according to claim 2, in which the antenna elements are made in the form of patches, round patches or slots. 4. Антенная решетка по п. 1, дополнительно содержащая управляющую схему.4. The antenna array according to claim 1, further comprising a control circuit. 5. Антенная решетка по п. 1, в которой упомянутые первые и вторые линейные антенные решетки являются частью антенны MIMO (с множеством входов и множеством выходов), содержащей несколько рядов Rx линейных решеток и несколько рядов Tx линейных решеток.5. The antenna array according to claim 1, wherein said first and second linear antenna arrays are part of a MIMO antenna (with multiple inputs and multiple outputs) comprising several rows of Rx linear arrays and several rows of Tx linear arrays. 6. Антенная решетка по п. 1, в которой управление фазой и амплитудой первых и вторых линейных антенных решеток выполняется с возможностью формирования, при перемножении линий первых и вторых линейных антенных решеток, виртуальной линейной антенной решетки с уменьшением размеров излучателей к ее краям.6. The antenna array according to claim 1, wherein the phase and amplitude control of the first and second linear antenna arrays is configured to form, when multiplying the lines of the first and second linear antenna arrays, a virtual linear antenna array with a reduction in the size of the emitters to its edges.
RU2018114495A 2018-04-19 2018-04-19 Millimeter-range antenna array for the three-dimensional imaging radar system RU2682174C1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018114495A RU2682174C1 (en) 2018-04-19 2018-04-19 Millimeter-range antenna array for the three-dimensional imaging radar system
KR1020190013700A KR102628657B1 (en) 2018-04-19 2019-02-01 Array antenna and operation method of array antenna
US16/375,977 US11050167B2 (en) 2018-04-19 2019-04-05 Antenna array and operation method of antenna array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018114495A RU2682174C1 (en) 2018-04-19 2018-04-19 Millimeter-range antenna array for the three-dimensional imaging radar system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2682174C1 true RU2682174C1 (en) 2019-03-15

Family

ID=65805891

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018114495A RU2682174C1 (en) 2018-04-19 2018-04-19 Millimeter-range antenna array for the three-dimensional imaging radar system

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102628657B1 (en)
RU (1) RU2682174C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2693537C1 (en) * 2018-12-10 2019-07-03 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Compact antenna system with elements with high insulation
CN111398976A (en) * 2020-04-01 2020-07-10 宁波飞芯电子科技有限公司 Detection device and method
RU2728517C1 (en) * 2019-09-26 2020-07-30 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Array of high-resolution mimo receiving and transmitting elements for robot navigation

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2374724C1 (en) * 2005-10-17 2009-11-27 Граундпроуб Птв Лтд Perimetric radar antenna array
RU2446575C2 (en) * 2006-02-14 2012-03-27 Сайбим, Инк. Adaptive beam control methods for maximisation wireless communication link and decrease in delay dispersion using multiple transmitting and receiving antennas
US20160033632A1 (en) * 2014-03-05 2016-02-04 Delphi Technologies, Inc. Mimo antenna with elevation detection
RU160453U1 (en) * 2015-11-10 2016-03-20 Сергей Эдуардович Шипилов 3D georadiograph
US20160285172A1 (en) * 2015-03-25 2016-09-29 Panasonic Corporation Radar device

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100880892B1 (en) * 2007-04-11 2009-01-30 한국전자통신연구원 Multi-mode antenna and method of controlling mode of the same antenna
DE102008038365A1 (en) * 2008-07-02 2010-01-07 Adc Automotive Distance Control Systems Gmbh Vehicle radar system and method for determining a position of at least one object relative to a vehicle
KR20100070555A (en) * 2008-12-18 2010-06-28 한국과학기술원 Antenna system and communication device having the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2374724C1 (en) * 2005-10-17 2009-11-27 Граундпроуб Птв Лтд Perimetric radar antenna array
RU2446575C2 (en) * 2006-02-14 2012-03-27 Сайбим, Инк. Adaptive beam control methods for maximisation wireless communication link and decrease in delay dispersion using multiple transmitting and receiving antennas
US20160033632A1 (en) * 2014-03-05 2016-02-04 Delphi Technologies, Inc. Mimo antenna with elevation detection
US20160285172A1 (en) * 2015-03-25 2016-09-29 Panasonic Corporation Radar device
RU160453U1 (en) * 2015-11-10 2016-03-20 Сергей Эдуардович Шипилов 3D georadiograph

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2693537C1 (en) * 2018-12-10 2019-07-03 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Compact antenna system with elements with high insulation
RU2728517C1 (en) * 2019-09-26 2020-07-30 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Array of high-resolution mimo receiving and transmitting elements for robot navigation
CN111398976A (en) * 2020-04-01 2020-07-10 宁波飞芯电子科技有限公司 Detection device and method
CN111398976B (en) * 2020-04-01 2022-08-23 宁波飞芯电子科技有限公司 Detection device and method

Also Published As

Publication number Publication date
KR102628657B1 (en) 2024-01-24
KR20190122128A (en) 2019-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107526063B (en) Radar apparatus and method of processing radar signals
US10270166B2 (en) Radar and method for switching to enable array antenna
CN111656213B (en) Radar and antenna built in radar
US11422254B2 (en) Radar sensor apparatus for vehicle, object detecting method, and antenna apparatus therefor
CN103558594B (en) Based on the phased array beam synthetic method of airborne equipment
JP2019512081A (en) Radar system including an antenna structure for transmitting and receiving electromagnetic radiation
US20180166794A1 (en) 2d-mimo radar antenna array geometry and design method
KR102599824B1 (en) antenna array
JP6491254B2 (en) Antenna device and radar device
RU2682174C1 (en) Millimeter-range antenna array for the three-dimensional imaging radar system
JP4545460B2 (en) Radar device and antenna device
US10989799B2 (en) Radar and antenna built in radar
KR20130072173A (en) Antenna arrangement and beam forming device
CN103178357A (en) Microwave antenna and antenna element
EP3258540B1 (en) Planar antenna array
JP2024501521A (en) Radar equipment including multiple antennas spaced horizontally and vertically apart
US20240176014A1 (en) Simultaneous beamforming and multiple input-multiple output (mimo) schemes in radar system
CN116888493A (en) Multiple-input multiple-steering output (MIMSO) radar
US10481250B2 (en) Radar antenna system
EP1523785A1 (en) Common aperture antenna
KR20220050865A (en) Radar and antenna built in radar
KR102672496B1 (en) Mimo antenna array with wide field of view
CN110383580B (en) Coprime optical transceiver array
ES2968346T3 (en) Procedure and operation system of an IFF/SSR antenna
EP4070129A1 (en) Scanning antenna