一种天线阵列
阅读说明：本技术 一种天线阵列 (Antenna array ) 是由 何瑞 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种天线阵列,包括由m个天线阵元组成的发射天线阵列、和n个天线阵元组成的接收天线阵列,发射和接收天线阵列形成虚拟天线阵列,虚拟天线阵列的主阵向量的长度N大于主阵向量非0元素的个数M加上4,主阵向量在角度范围-90°至90°中任意一个角度方向的阵列响应曲线的主旁瓣比都在2.5dB以上；虚拟天线阵列的子阵向量中所有子阵间距均相等,子阵的阵元个数≥4。本发明的天线阵列不仅可以提升角度分辨率,同时还可以区分角度维的大小目标。(The invention discloses an antenna array, which comprises a transmitting antenna array consisting of M antenna array elements and a receiving antenna array consisting of N antenna array elements, wherein the transmitting antenna array and the receiving antenna array form a virtual antenna array, the length N of a main array vector of the virtual antenna array is greater than the number M of non-0 elements of the main array vector plus 4, and the main side lobe ratio of an array response curve of the main array vector in any angle direction in an angle range of-90 degrees to 90 degrees is more than 2.5 dB; the distances among all the sub-arrays in the sub-array vector of the virtual antenna array are equal, and the number of the array elements of the sub-arrays is more than or equal to 4. The antenna array of the invention not only can improve the angular resolution, but also can distinguish the large and small targets of the angle dimension.)
技术领域
本发明涉及汽车雷达技术领域，尤其是一种适用于汽车雷达的天线阵列。
背景技术
随着智能驾驶技术的快速发展，高级驾驶辅助系统（Advanced DrivingAssistant System，简称为ADAS）成为智能驾驶汽车中不可缺少的部分，ADAS通过安装在车上的各类传感器，在汽车行驶过程中随时感应周围环境，收集环境数据，进行静态或动态物体的辨识、侦测与追踪，并结合导航仪地图数据，进行系统运算与分析，从而预测可能发生的危险，有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性。其中，毫米波雷达由于探测距离远、受环境影响小、成本低、技术成熟，成为ADAS的主要传感器。现有汽车的毫米波雷达，为了使用尽量少的天线达到更高精度的角分辨率，在天线上收发分置，采用多个发射天线和多个接收天线的MIMO（Multiple Input Multiple Output，简称为MIMO）架构。天线的布阵极大地影响了雷达的角分辨率，为了提升角分辨率，往往采用稀疏布阵，稀疏布阵提升了角分辨率，但同时引入了旁瓣高，无法区分角度维的大小目标的缺点。针对上述技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种天线阵列，该天线阵列不仅可以提升角度分辨率，同时还可以区分角度维的大小目标。
为了实现上述目的，本发明首先对天线阵列提出一个称为位置向量的概念，针对天线阵列设一条横向基线，阵元所在的位置向基线做垂线的垂足称为阵元在基线上的投影位置，所有天线阵元在基线上的投影位置，从第一个天线阵元的投影位置开始到最后一个天线阵元的投影位置，每一个天线阵元投影位置与第一个天线阵元投影位置的距离，都是d的整数倍，d为栅格间距，d≥0.15λ,λ为波长。从第一个天线阵元的投影位置开始，以间距d画栅格量化，栅格上有天线阵元的投影，记为1，没有天线阵元的投影，记为0。这样由1和0组成的表示天线阵元投影位置的向量，称为天线阵列的位置向量。
基于上述概念，本所述提出技术方案是：一种天线阵列，包括由m个天线阵元组成的发射天线阵列，和由n个天线阵元组成的接收天线阵列，发射天线阵列和接收天线阵列的任意两个天线阵元的间距均为d的整数倍，d为天线位置向量的栅格间距，d≥0.15λ，λ为天线工作波长，将发射天线位置向量和接收天线位置向量做卷积，将卷积中大于1的向量元素修改为1后，所形成的向量作为主阵向量，将主阵向量对应的虚拟天线阵列作为主阵，将主阵向量的长度记为N，将主阵向量非0元素的个数记为M，
将一个角度方向目标的导向矢量与主阵向量点乘称为该角度方向的阵列响应向量，基于阵列响应向量做傅里叶变换，得到新的复数向量，对这个新的复数向量取模得到在该角度方向的阵列响应曲线，阵列响应曲线中的最大的峰值与第二大峰值的比值记为Ratio，将20lg（Ratio）定义为主阵向量在该角度方向的主旁瓣比，
其特征在于，1）N>M+4；2）主阵向量的在角度范围-75°至75°中任意一个角度方向的阵列响应曲线的主旁瓣比均在2.5dB以上；3）主阵中包含至少一个子阵，所述子阵的特征是：子阵向量中所有相邻两个元素为1的间距相等，相邻两个元素为1的间距称为子阵间距，子阵的阵元个数≥4。
进一步的，将发射天线位置向量中相邻两个元素1之间的间距记为d_tx(i,i+1)，其中1≤i<m，将接收天线位置向量中相邻两个元素1之间的间距记为d_rx(j,j+1)，其中1≤j<n。将发射天线位置向量的长度定义为发射天线的孔径，记为A_tx，将接收天线位置向量的长度定义为接收天线的孔径，记为A_rx，接收天线的最大间距max(d_rx(j,j+1))大于发射天线孔径A_tx，发射天线位于接收天线的最大间距内，或者发射天线的最大间距max(d_tx(j,j+1))大于接收天线孔径A_rx，接收天线位于发射天线的最大间距内。
上述结构中，将发射天线阵列插入到接收天线阵列中，或者将接收天线阵列插入到发射天线阵列中，这样的好处是发射天线和接收天线可以共用一块地方，从而减少PCB的占用面积，进而降低成本。
进一步的，主阵中包含2个及2个以上的子阵，且两个子阵的间距不成倍数。
上述结构中，如果子阵间距大于1，则单独子阵是需要解模糊的，而如果有两个子阵，且子阵间距不成倍数的话，靠两个子阵配合便可以解除模糊。
进一步的，所述主阵包含的子阵中，至少有一个子阵的阵元个数≥5。
上述结构中，子阵的阵元个数越多，则子阵的性能越好。
进一步的，所述主阵包含的子阵中，至少有一个子阵的阵元个数≥6，至少有一个子阵的子阵间距≤3，d=0.5λ，所述m=4或3或2，n=4。
上述结构中，子阵的阵元个数越多，子阵的性能越好，子阵的间距越小，子阵需要解模糊的倍数越少。
进一步的，所述主阵向量的0度方向的阵列响应曲线中，包含一个区间跨度大于10度的角度区间，且该角度区间的位置不是整个区间的边沿，该角度区间内的最大值，比所述阵列响应曲线的最大值低7dB以上。
上述结构中，使用主阵就可以识别出固定角度区间的小目标。
进一步的，所述接收天线的最小间距大于Xd，X为大于1的整数，所述发射天线位置的最小间距大于Yd，Y为大于1的整数。
上述结构中，有的组成阵列的天线阵元宽度比较大，例如单个阵元的宽度超过了d。
进一步的，所述X为大于2的整数，Y为大于2的整数。
采用上述方案，本发明与传统的天线阵列相比，具有以下优点：角分辨率高、能区分角度维的大小目标、占用PCB面积小且成本低。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步解释说明。
附图说明
附图1为本发明实施例1的天线阵列结构示意图。
附图2为本发明实施例1中0度方向的阵列响应曲线。
附图3为本发明实施例1中-20度方向的阵列响应曲线。
附图4为本发明实施例1中-40度方向的阵列响应曲线。
附图5为本发明实施例1中-60度方向的阵列响应曲线。
附图6为本发明实施例1中-80度方向的阵列响应曲线。
附图7为本发明实施例1中20度方向的阵列响应曲线。
附图8为本发明实施例1中40度方向的阵列响应曲线。
附图9为本发明实施例1中60度方向的阵列响应曲线。
附图10为本发明实施例1中80度方向的阵列响应曲线。
附图11为本发明实施例1的主阵中抽取子阵的结构示意图。
附图12为本发明实施例1中0度方向子阵的阵列响应曲线。
附图13为本发明实施例2的主阵中抽取出2个子阵的结构示意图。
附图14为本发明实施例2中0度方向的阵列响应曲线图。
附图15为本发明实施例1中0度方向的阵列响应曲线图角度区间示意图。
具体实施方式
本发明的实施例1，如图1所示，在本例中，天线阵列包括由3个发射天线阵元组成的发射天线阵列和由4个接收天线阵元组成的接收天线阵列，发射天线阵列和接收天线阵列各阵元的布阵如图所示，根据本发明提出的天线位置向量概念，分别得到发射天线位置向量[1 0 1 0 0 0 0 0 0 1]和接收天线位置向量[1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 1]，发射天线位置向量和接收天线位置向量做卷积，卷积之后对大于1的向量元素修改为1，所形成的向量称为主阵向量(1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 00 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1)，对应的虚拟天线阵列称为主阵。
发射天线位置向量中相邻元素1之间的间距记为d_tx(i,i+1)，1≤i<m，（本实施例中d_tx(1,2)=2, d_tx(2,3)=7），接收天线位置向量中相邻元素1之间的间距记为d_rx(j,j+1)，1≤j<n。（本实施例1中d_rx(1,2)=3, d_rx(2,3)=3, d_rx(3,4)=17）。发射天线的孔径A_tx为发射天线位置向量的长度 (本实施例1中A_tx=10),接收天线的孔径A_rx为接收天线位置向量的长度 (本实施例1中A_rx=24)。主阵向量的长度记为N(本实施例1中为33)，主阵向量非0元素的个数记为M(本实施例1中为12)。
本实施例1中N=33 ，M=12，N＞M+4。
一个角度方向目标的导向矢量与主阵向量点乘称为该角度方向的阵列响应向量，基于阵列响应向量（可以直接对阵列响应向量做傅里叶变换，也可以在阵列响应向量后补充零）做傅里叶变换，得到新的复数向量，对这个新的复数向量取模得到在该角度方向的阵列响应曲线，阵列响应曲线中的最大的峰值与第二大峰值的比值记为Ratio，将20lg（Ratio）定义为主阵向量在该角度方向的主旁瓣比，主阵向量的特征是-75°至75°中任意一个角度方向的阵列响应曲线的主旁瓣比都在2.5dB以上；如图2-10所示。
如图2所示，是0度方向的阵列响应曲线，第一大峰值为12，第二大峰值约为6，Ratio=2，20lg Ratio=20lg2=6dB。
如图3所示，是-20度方向的阵列响应曲线。
如图4所示是-40度方向的阵列响应曲线。
如图5所示，是-60度方向的阵列响应曲线。
如图6所示，是-80度方向的阵列响应曲线。
如图7所示，是20度方向的阵列响应曲线。
如图8所示，是40度方向的阵列响应曲线。
如图9所示，是60度方向的阵列响应曲线。
如图10所示，是80度方向的阵列响应曲线。
主阵中可以抽取出子阵，子阵为均匀阵，均匀阵的位置向量是所有相邻两个元素为1的间距是相等的，相邻两个元素为1的间距称为子阵间距，子阵的阵元个数≥4。
如图11所示，从主阵中可以抽出子阵，子阵间距是3，子阵的阵元个数是6。因为子阵是均匀的，对子阵处理的时候可以加不同的切比雪夫窗，使其主旁瓣比降到30dB，远远低于主阵中的主旁瓣比，起到区分大小目标的目的。
例如对子阵向量使用窗函数[0.2956,0,0, 0.6837,0,0, 1.0000,0,0, 1.0000,0,0, 0.6837,0,0, 0.2956]其阵列响应曲线如图12所示，即0度方向子阵的阵列响应曲线。
接收天线位置的最大间距max(d_rx(j,j+1))大于发射天线孔径A_tx，或者发射天线位置的最大间距max(d_tx(j,j+1))大于接收天线孔径A_rx。在实施例中，接收天线阵位置的最大间距是17，发射天线阵的孔径是7，这样发射天线阵可以插入到接收天线阵中，这样的好处是可以减小天线占据的面积，如果不满足这条，发射天线阵必须和接收天线阵并排，这样占用的面积就会增大。发射阵为[1 0 1 0 0 0 0 0 0 1]，最小间距为d_tx_min为2，接收阵为[1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1] 最小间距为d_rx_min为3
实施例2 为主阵中抽取出2个子阵，且子阵间距不成倍数。
如图13所示，tx= [1 0 0 1 0 0 0 1]，
rx= [1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]，
卷积之后主阵向量为[1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 10 0 1 0 0 0 1]。
该实施例满足上述实施例中的其他要求，如N>M，各个方向阵列响应曲线的主旁瓣比，发射阵插入接收阵等。
由图12所示的子阵的0度方向阵列响应曲线可以看到，一个目标在阵列响应曲线上引起了3个目标，到底哪个目标是真的，需要解模糊。如果有两个子阵，可以结合两个子阵的阵列响应曲线解模糊，如图14所示是两个子阵对0度方向的阵列响应曲线，由图可以看出，两个曲线的峰值只有0度重叠，由此得出0度是目标的真实方向，从而求解。
由实施例1和实施例2可以看到都至少有一个阵元数是6的子阵，且子阵间距是3。
由图15所示是0度方向的阵列响应曲线，可以看到存在两个角度区间，跨度在10度以上，比峰值最大值低7dB以上。
发射阵 [1 0 0 1 0 0 0 1]，最小间距为d_tx_min为3，接收阵 [1 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]，最小间距为d_rx_min为6。
本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：具有辐射元件布置的车辆天线模块