TWI710785B

TWI710785B - 高解析空間角度掃描雷達系統及其設計方法

Info

Publication number: TWI710785B
Application number: TW108117218A
Authority: TW
Inventors: 何忠誠
Original assignee: 何忠誠
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-11-21
Also published as: TW202043799A

Abstract

本發明為一種高解析空間角度掃描雷達系統及其設計方法，包含有複數個天線單元，在每個天線單元的信號傳輸路徑上設置一個對應的移相器，該多數個移相器與一混波器耦接，其中，兩相鄰天線單元之間維持一距離d，該距離d大於該無線信號二分之一的波長λ；本發明藉由提高相鄰天線單元之間的距離，降低各天線單元上之信號產生互相耦合(mutual coupling)效應。

Description

高解析空間角度掃描雷達系統及其設計方法

本發明是關於一種相位陣列雷達(Phased Array Radar)，特別是指一種可降低互耦(mutual coupling)效應的高解析空間角度掃描雷達。

傳統雷達之波束方向是固定的(例如都普勒雷達)，取決於該雷達之安裝位置，若需要調整掃描方向，必須通過機械裝置轉動該雷達的擺設方位才可改變波束的方向。

如圖5A所示，有別於上述的傳統雷達，相位陣列雷達(phased array radar)中使用了移相器(phase shifter)52，在每一個天線單元51的信號傳輸路徑上加入一個移相器52，藉此改變整體波束之收發方向，如圖5B所示。如此一來，只需改變每個天線單元51的信號相位，即能控制整體波束之收發方向。

傳統相位陣列雷達為了抑制光柵波瓣(grating lobes)的產生，在設計天線單元51的相對位置時，會刻意將兩個相鄰天線單元51之間的距離L控制在小於二分之一的傳輸信號波長λ，即L<1/2 λ。也就是縮小相鄰天線單元之間的距離以更加緊密排列，但如此一來，將會產生如圖6所示的互耦(mutual coupling)問題，相鄰天線單元51上的信號會互相耦合而導致不必要的干擾。

本發明之主要目的是提供一種「高解析空間角度掃描雷達」，以避免現有相位陣列雷達所存在之互耦問題。

為達成前述目的，本發明的高解析空間角度掃描雷達，包含有：複數個天線單元，在每個天線單元的信號傳輸路徑上設置一個對應的移相器，該多數個移相器與一混波器耦接，其中：兩相鄰天線單元之間維持一距離d，該距離d大於該無線信號二分之一的波長λ。

本發明之雷達系統當應用於接收信號，可縮短掃描時間並提高接收解析度；當應用於發射信號，可調整相對較大角度的相位差，而控制信號波束在空間中產生較小角度的改變，移相器更易於設計製作。

11a~11d:天線單元

12:移相器

13:混波器

51:天線單元

52:移相器

圖1：本發明的架構示意圖。

圖2A~2C：本發明以偶極天線(dipole antenna)為例，藉由調整不同相位差，得到不同角度之波束。

圖3A~3C：本發明以平片天線(patch antenna)為例，藉由調整不同相位差，得到不同角度之波束。

圖4A~4C：本發明陣列雷達改變掃描波束方位之示意圖。

圖5A：傳統相位陣列雷達(Phased Array Radar)之示意圖。

圖5B：相位陣列雷達之波束指向性示意圖。

圖6：相位陣列雷達之互耦效應的示意。

請參考圖1所示，為本發明雷達系統的架構示意圖，該雷達系統100的架構為一主動式相位陣列天線，可作為信號發射或信號接收系統，在此實施例中，包含有多數個天線單元11a~11d、多數個移相器12(phase shifter)及至少一個混波器13，以下說明以第一天線單元11a~第四天線單元11d為例，但天線單元的數量不以此為限。

各天線單元11a~11d為發射信號或接收信號的元件，在每個天線單元11a~11d的信號傳輸路徑上設置一個對應的移相器12，該多數個移相器12 與該混波器13耦接。以發射系統為例，主信號通過混波器13耦合至各個移相器12，再經過各天線單元11a~11d向外輻射出去；當改變移相器12的參數，使各個天線單元11a~11d上的信號具有適當的相位，令相鄰天線單元11a~11d之間的信號具有一形位差ψ，即可產生所需的波束。

在本發明中，為了降低各天線單元11a~11d之間的互耦效應(mutual coupling)，兩相鄰天線單元11a~11d之間的直線相對距離L皆為等距離且該距離大於傳輸信號波長(λ)的二分之一，即L>1/2 λ。即第一天線單元11a與第二天線單元11b之間的相對距離L大於傳輸信號波長(λ)的二分之一，第二天線單元11b與第三天線單元11c之間的相對距離L也是大於傳輸信號波長(λ)的二分之一。

請參考圖2A~2C所示，以下利用4個偶極天線單元(Dipole)模擬該第一天線單元11a~第四天線單元11d。假設傳輸信號(操作頻率)為3GHz，則波長為λ=100mm，相鄰兩天線單元11a~11d之間的距離L定為0.9倍的波長λ(L=0.9 λ=90mm)，當改變相鄰天線單元11a~11d之間的相位差(ψ)，即可改變波束的角度(θ)，相位差與角度之間的關係式如下：

以圖2A的波束為例，為了產生15度角的波束(θ=15度)，根據上式，可以計算出相鄰天線單元11a~11d之間所需的相位差ψ約為83.8度(0.47 π)，因此，在設計天線時，以第一天線單元11a的相位為參考點(零度)，第二天線單元11b與第一天線單元11a之間的相位差利用移相器12控制為約83.8度，第三天線單元11c相對於第一天線單元11a之間的相位差控制為約167.6度，第四天線單元11d相對於第一天線單元11a之間的相位差控制為約251.4度，可產生如圖2A所示的波束，其中主波束B1的角度約為15度。

以圖2B的波束為例，為了產生30度角的波束(θ=30度)，根據上式，可以計算出相鄰天線單元11a~11d之間所需的相位差ψ約為162度(0.9 π)，因此，在設計天線時，以第一天線單元11a的相位為參考點(零度)，第二天線單元11b相對於第一天線單元11a的相位差約為162度，第三天線單元11c相對於第一天線單元11a的相位差為324度，依此類推，如此可產生如圖2B所示的波束，其中主波束B1的角度約為30度。其中，偶極天線的延伸軸向如箭號A所示，因為圖2A~2C均是將偶極天線置放在空間中進行模擬，因此可以完整看出偶極天線之完整波束。

以圖2C的波束為例，為了產生30度角的波束(θ=45度)，根據上式，可以計算出相鄰天線單元11a~11d之間所需的相位差ψ約為229.1度(1.27 π)，因此，在設計天線時，以第一天線單元11a的相位為參考點(零度)，第二天線單元11b相對於第一天線單元11a的相位差約為229.1度，第三天線單元11c相對於第一天線單元11a的相位差為458.2度，依此類推，如此可產生如圖2C所示的波束，其中主波束B1的角度約為45度。

上述圖2A~2C證明藉由調整相鄰天線單元11a~11d之間的相位差ψ，即可改變波束的角度。另一方面，當改變相鄰天線單元11a~11d之間的相對距離L，則是調整波束的數量，即相當於改變波束的幾何形狀。

再請參考圖3A~3C所示，進一步以4個平片天線(patch antenna)模擬該第一天線11a至第四天線11d。假設傳輸信號的頻率(操作頻率)為2.45GHz，則波長為λ=122.5mm，相鄰兩個天線11a~11d之間的距離L設定為0.9倍的波長λ(d=0.9 λ=110mm)。

以圖3A的波束為例，為了產生15度角的波束(θ=15度)，相鄰天線11a~11d之間所需的相位差ψ約為83.8度(0.47 π)，因此，在設計天線時，以第一天線11a的相位為參考點(零度)，第二天線11b相對於第一天線11a的相位差約為83.8度，第三天線11c相對於第一天線11a的相位差為167.6度，第四天線11d相對於第一天線11a的相位差為251.4度，可產生如圖3A所示的波束，其中主波束B1的角度約為15度。

以圖3B的波束為例，為了產生30度角的波束(θ=30度)，相鄰天線11a~11d之間所需的相位差ψ約為162度(0.9 π)，因此，在設計天線時，以第一天線11a的相位為參考點(零度)，第二天線11b相對於第一天線11a的相位差約為162度，第三天線11c相對於第一天線11a的相位差為324度，依此類推，如此可產生如圖3B所示的波束，其中主波束B1的角度約為30度，另一波束B2與主波束B1之間具有一張角。

以圖3C的波束為例，為了產生30度角的波束(θ=45度)，相鄰天線11a~11d之間所需的相位差ψ約為229.1度(1.27 π)，因此，在設計天線時，以第一天線11a的相位為參考點(零度)，第二天線11b相對於第一天線11a的相位差約為229.1度，第三天線11c相對於第一天線11a的相位差為458.2度，依此類推，如此可產生如圖3C所示的波束，其中主波束B1的角度約為45度。

本發明將相鄰兩天線單元11a~11d之間的距離d加大後，雖然會因天線陣列響應(array response)數學的模糊(ambiguity)性，導致信號波束除了主波束B1之外，還會產生其它的波束(side beams)B2，但利用申請人所擁有之公告第I616064號「利用波的到達相位及時間差解算到達方向角的高精度解析方法」技術，可以計算出主波束的方向角。當天線單元11a~11d之間的距離L如下表所示，可能產生之方向角的數量(m)會隨著距離L增加而變多；舉例而言，當天線單元11a~11d之間的距離L為二分之三信號波長時

λ，可能方向角的數量(m)為4。

如圖4A所示範例，當本發明實際應用時，因為可產生複數波束且只要設定好相鄰天線單元之間的相位差ψ及相鄰距離L，便可確定波束的幾何形狀，在一掃描平面進行掃描時只需要偏轉小幅度的角度，即可偵測出來源信號的方位，例如本發明以應用於接收信號為例，假設半波長為0.624mm，而兩天線單元之間的距離L=0.762mm，即略大於半波長，則雷達系統產生之兩波束B1、B2如圖4A、4B所示，兩波束B1、B2在空間中的角度因為是同步改變，因此兩波束的掃描範圍也是同步變化，若掃描空間以-90度~90度的平面來看，掃描整個平面只需要像圖4A、4B所示的改變波束角度，便可完成全部範圍的掃描(如圖4C所示)，相較於傳統以單一波束從-90度逐漸掃描至+90度，本發明實際控制波束移動的範圍更小，可以有效縮短掃描時間。

此外，當信號的來相角(DOA)改變1度，接收的相位角的改變係大於1度(本範例中約3度)，故接收的解析度可以提高。同理，當本發明的雷達系統應用於發射信號，只要調整相位差約3度，便可在空間中改變信號波束的角度約為1度，因此移相器12更易於設計。

11a~11d:天線單元

12:移相器

13:混波器

Claims

一種高解析空間角度掃描雷達系統，包含有：複數個天線單元，在每個天線單元的信號傳輸路徑上設置一個對應的移相器，該多數個移相器與一混波器耦接，其中：各天線單元所傳輸之無線信號的波長為λ，兩相鄰天線單元之間維持一距離d，該距離d大於該無線信號二分之一的波長λ；其中，任兩相鄰天線單元之間的無線信號具有一相位差ψ，令掃描雷達系統產生之波束的角度θ與該相位差ψ符合一關係式：
其中，所述高解析空間角度掃描雷達系統作為信號發射或信號接收系統。
如請求項1所述之高解析空間角度掃描雷達系統，其中，藉由調整相鄰兩天線單元之間的距離d，以改變波束的數量。
如請求項1所述之高解析空間角度掃描雷達系統，其中，藉由調整相鄰兩天線單元之間的相位差，以改變波束的角度。
如請求項1所述之高解析空間角度掃描雷達系統，其中，兩相鄰天線單元之間的距離為等距離。
一種高解析空間角度掃描雷達系統的設計方法，該系統作為信號發射或信號接收系統且包含有複數個天線單元，各天線單元傳輸無線信號，其中，該設計方法包含：等間距配置該複數個天線單元，令兩相鄰天線單元之間維持一距離d，該距離d大於該無線信號二分之一的波長λ；配置任兩相鄰天線單元之間的無線信號而產生一相位差ψ，令掃描雷達系統產生之波束的角度θ與該相位差ψ符合下式：
如請求項5所述之高解析空間角度掃描雷達系統的設計方法，其中，藉由調整相鄰兩天線單元之間的距離d，以改變波束的數量。
如請求項5所述之高解析空間角度掃描雷達系統的設計方法，其中，藉由調整相鄰兩天線單元之間的相位差，以改變波束的角度。
如請求項5所述之高解析空間角度掃描雷達系統的設計方法，其中，兩相鄰天線單元之間的距離皆為等距。