CN113690590B - 一种多入多出稀疏化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多入多出稀疏化天线，包括若干多入多出天线子阵，多入多出天线子阵稀疏化设置，多入多出天线子阵包括4个非稀疏化设置的发射子阵与1个稀疏化设置的接收子阵，发射子阵和接收子阵之间设置有间隙，间隙内设置有周期性分布的平面人工磁导体结构；本发明提出的天线阵列具有很好的扩展性；发射子阵与接收子阵阵面相比天线阵列较小，更容易加工实现，而且发射子阵和接收子阵可进行模块化设计，可显著降低天线阵列加工复杂度、降低成本；采用此布阵方法，可有效抑制稀疏化布阵引起的方向图栅瓣，特别适合毫米波雷达天线，如毫米波汽车雷达、人体安检仪等，具有较高的工程应用价值。

Description

一种多入多出稀疏化天线
技术领域
本发明涉及天线阵列技术领域，具体涉及一种多入多出稀疏化天线。
背景技术
为了满足天线阵列低成本、模块化、稀疏化发展需求，合理的天线布阵方法十分有价值。特别是毫米波雷达天线，单元通道数量较多，集成度高，布阵方法很大程度决定了雷达天线成本、加工难度。当前有报道采用遗传算法等优化算法根据目标方向图来稀疏化天线阵列，基于优化算法的稀疏化方法通用性较差，不同的目标方向图需要进行一次优化计算，即使同一种目标方向图，多次优化获得的结果也不相同，难以满足模块化布阵要求。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种多入多出稀疏化天线，包括若干多入多出天线子阵，所述多入多出天线子阵稀疏化设置，所述多入多出天线子阵包括4个非稀疏化设置的发射子阵与1个稀疏化设置的接收子阵，所述发射子阵和所述接收子阵之间设置有间隙，所述间隙内设置有周期性分布的平面人工磁导体结构。
较佳的，所述多入多出天线子阵整体设置为矩形，4个所述发射子阵分别设置在所述多入多出天线子阵的四角，所述发射子阵中的发射天线单元呈矩形栅格分布，所述发射子阵的阵面呈矩形，所述接收子阵设置在所述多入多出天线子阵的中部，所述接收子阵中的接收天线单元呈矩形栅格分布，所述接收子阵的阵面呈十字型。
较佳的，所述发射子阵采用非稀疏化布阵，所述发射天线单元的水平向单元间距和垂直向单元间距需满足相控阵对应扫描角度对天线单元间距的约束关系式：
其中，d为所述发射子阵的水平向单元间距，λ为天线工作波长，θ为所述发射子阵在水平向的扫描角度；
其中，d’为所述发射子阵的垂直向单元间距，λ为天线工作波长，θ‘为所述发射子阵在垂直向的扫描角度。
较佳的，所述发射子阵、所述接收子阵在水平向、垂直向所需单元数量满足公式：
其中，N1为所述发射子阵在水平向所需的发射天线单元数量，λ为天线工作波长，B1为所述发射子阵在水平向所要求的波束宽度，d1为所述发射子阵在水平向的单元间距；
其中，N2为所述接收子阵在水平向所需的接收天线单元数量，λ为天线工作波长，B2为所述接收子阵在水平向所要求的波束宽度，d2为所述接收子阵在水平向的单元间距；
其中，N3为所述发射子阵在垂直向所需的发射天线单元数量，λ为天线工作波长，B3为所述发射子阵在水平向所要求的波束宽度，d3为所述发射子阵在垂直向的单元间距；
其中，N4为所述接收子阵在水平向所需的接收天线单元数量，λ为天线工作波长，B4为所述接收子阵在水平向所要求的波束宽度，d4为所述接收子阵在水平向的单元间距。
较佳的，所述接收子阵的水平单元间距为所述发射子阵的水平单元间距2～4的整数倍，所述接收子阵的垂直单元间距为所述发射子阵的垂直单元间距2～4的整数倍。
较佳的，所述接收子阵在水平向的单元数量由所述接收子阵在水平向的波束宽度决定，所述接收子阵在垂直向的单元数量由所述接收子阵在垂直向的波束宽度决定。
较佳的，所述发射子阵与所述接收子阵之间的间隙呈L形；
所述间隙的垂直段间隙宽度为2～4倍的所述发射子阵的水平单元间距，高度等于所述发射子阵的垂直单元间距乘以所述发射子阵垂直向的单元数量；
所述间隙的水平段间隙宽度为2～4倍的所述发射子阵的垂直单元间距，长度等于所述发射子阵的水平单元间距乘以所述发射子阵水平向的单元数量加上所述间隙的垂直段间隙宽度。
较佳的，所述平面人工磁导体结构的工作带宽与所述多入多出稀疏化天线的工作带宽一致。
较佳的，所述多入多出稀疏化天线内所述多入多出天线子阵的水平向单元间距为2倍的所述多入多出天线子阵在水平向的长度，垂直向单元间距为2倍的所述多入多出天线子阵在垂直向的长度。
较佳的，所述多入多出天线子阵在水平向的长度为所述接收子阵在水平向的单元数量乘以所述接收子阵的水平单元间距；所述多入多出天线子阵在垂直向的长度为所述接收子阵在垂直向的单元数量乘以所述接收子阵的垂直单元间距。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明提出的稀疏化布阵方法简单易于实施，无需采用优化算法优化计算。天线阵列由多个相同的发射子阵和接收子阵构成，因此天线阵列具有很好的扩展性。发射子阵与接收子阵阵面相比天线阵列较小，更容易加工实现，而且发射子阵和接收子阵可进行模块化设计，可显著降低天线阵列加工复杂度、降低成本。采用此布阵方法，可有效抑制稀疏化布阵引起的方向图栅瓣，特别适合毫米波雷达天线，如毫米波汽车雷达、人体安检仪等，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为所述多入多出天线子阵的结构视图；
图2为实施例一单个发射子阵垂直向方向图；
图3为实施例一四个发射子阵垂直向合成方向图；
图4为实施例一单个接收子阵垂直向方向图；
图5为实施例一单个发射子阵与单个接收子阵垂直向合成方向图；
图6为实施例一四个发射子阵与单个接收子阵合成垂直方向图；
图7为实施例一单个发射子阵水平向方向图；
图8为实施例一四个发射子阵水平向合成方向图；
图9为实施例一单个接收子阵水平向方向图；
图10为实施例一单个发射子阵与单个接收子阵水平向合成方向图；
图11为实施例一四个发射子阵与单个接收子阵水平向合成方向图；
图12为实施例一单个发射子阵水平向扫描60°方向图；
图13为实施例一四个发射子阵水平向扫描60°合成方向图；
图14为实施例一单个接收子阵水平向扫描60°方向图；
图15为实施例一单个发射子阵与单个接收子阵水平向扫描60°合成方向图；
图16为实施例一四个发射子阵与单个接收子阵水平向扫描60°合成方向图；
图17为实施例二由6个MIMO天线小阵组成的稀疏化天线阵列。
图中数字表示：
1-发射子阵；2-接收子阵；3-间隙；4-发射天线单元；5-接收天线单元。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
如图1所示，图1为所述多入多出天线子阵的结构视图；其中，圆圈为发射天线单元位置，三角形为接收子阵天线单元位置。
本发明所述多入多出稀疏化天线包括若干多入多出天线子阵，所述多入多出天线子阵稀疏化设置，所述多入多出天线子阵包括4个非稀疏化设置的发射子阵1与1个稀疏化设置的接收子阵2，所述发射子阵1和所述接收子阵2之间设置有间隙3，所述间隙3内设置有周期性分布的平面人工磁导体(AMC)结构。
所述多入多出天线子阵整体设置为矩形，4个所述发射子阵1设置在所述多入多出天线子阵的四角，所述发射子阵1中的发射天线单元4为矩形栅格分布，所述发射子阵1的阵面呈矩形，所述接收子阵2设置在所述多入多出天线子阵的中部，所述接收子阵2中的接收天线单元5为矩形栅格分布，所述接收子阵2的阵面呈十字型。
为了保证所述发射子阵1与所述接收子阵2均具备波束扫描能力，所述发射子阵1与所述接收子阵2均为相控阵体制。
所述发射子阵采用非稀疏化布阵，其水平向单元间距与垂直向单元间距需满足相控阵扫描角度对天线单元间距的约束关系，即
其中，d为单元间距，λ为天线工作波长，θ为扫描角度。
根据发射子阵水平向和垂直向扫描角度及天线波束宽度要求，可以确定所述发射子阵中水平向单元间距dty及单元数量nty，垂直向单元间距dtx及单元数量ntx。
可采用公式来估算所述发射子阵、所述接收子阵在水平向、垂直向所需单元数量，
其中，λ为天线工作波长，B为对应天线子阵在对应方向所要求的波束宽度，d为对应天线子阵在对应方向单元间距。
较佳的，所述接收子阵的水平单元间距dry为所述发射子阵的水平单元间距dty的整数倍，通常取2～4倍。同样地，所述接收子阵的垂直单元间距drx为所述发射子阵的垂直单元间距dtx的整数倍，通常取2～4倍。所述接收子阵在水平向的单元数量nry，在垂直向的单元数量nrx由所述接收子阵在水平向和垂直向的波束宽度决定。
较佳的，所述发射子阵与所述接收子阵之间的间隙呈“L”形，“L”形垂直段间隙宽度为2～4倍dty，高度等于dtx乘以ntx。“L”形水平段间隙宽度为2～4倍dtx，长度为dty乘以nty加上“L”形垂直段间隙宽度。
在“L”形间隙空间，设计周期性分布的平面AMC结构，AMC工作带宽与天线工作带宽一致。AMC结构应具备“十”字对称性，可参考公开报道的AMC结构形式，如方形、圆形、蘑菇状AMC结构。
较佳的，MIMO天线阵列由多个MIMO天线小阵组成，MIMO天线小阵为矩形栅格布阵，MIMO天线阵列水平向单元间距为2倍MIMO天线小阵水平向长度(nry×dry)，垂直向单元间距为2倍MIMO天线小阵垂直向长度(nrx×drx)。MIMO天线阵列可根据应用需要以此布阵规律进行扩展。
本发明提出的稀疏化布阵方法简单易于实施，无需采用优化算法优化计算。天线阵列由多个相同的发射子阵和接收子阵构成，因此天线阵列具有很好的扩展性。发射子阵与接收子阵阵面相比天线阵列较小，更容易加工实现，而且发射子阵和接收子阵可进行模块化设计，可显著降低天线阵列加工复杂度、降低成本。采用此布阵方法，可有效抑制稀疏化布阵引起的方向图栅瓣，特别适合毫米波雷达天线，如毫米波汽车雷达、人体安检仪等，具有较高的工程应用价值。
实施例一
如图2～图16所示，图2为本实施例单个发射子阵垂直向方向图；图3为本实施例四个发射子阵垂直向合成方向图；图4为本实施例单个接收子阵垂直向方向图；图5为本实施例单个发射子阵与单个接收子阵垂直向合成方向图；图6为本实施例四个发射子阵与单个接收子阵合成垂直方向图；图7为本实施例单个发射子阵水平向方向图；图8为本实施例四个发射子阵水平向合成方向图；图9为本实施例单个接收子阵水平向方向图；图10为本实施例单个发射子阵与单个接收子阵水平向合成方向图；图11为本实施例四个发射子阵与单个接收子阵水平向合成方向图；图12为本实施例单个发射子阵水平向扫描60°方向图；图13为本实施例四个发射子阵水平向扫描60°合成方向图；图14为本实施例单个接收子阵水平向扫描60°方向图；图15为本实施例单个发射子阵与单个接收子阵水平向扫描60°合成方向图；图16为本实施例四个发射子阵与单个接收子阵水平向扫描60°合成方向图。
针对车载毫米波雷达天线，本发明提供了一种稀疏化布阵方法形成的多入多出稀疏化天线，所述多入多出稀疏化天线包含了4个非稀疏化布阵的发射子阵，1个稀疏化布阵的接收子阵，以及位于发射子阵与接收子阵之间的空隙。
设计的天线工作在79GHz，发射子阵水平向具备相位扫描能力，水平向单元间距dty＝1.9mm，单元个数nty＝8个。发射子阵垂直向不进行相位扫描，单元间距dtx＝2.5mm，单元数量ntx＝4个。发射子阵包含32个天线单元。
接收子阵位于中间，水平向单元间距dry＝2×dry＝3.8mm，垂直向单元间距drx＝2×dtx＝5mm。接收子阵合计365个天线单元。
位于发射子阵与接收子阵之间的空隙为“L”形，“L”形垂直向宽度为2×dty＝3.8mm，高度为ntx×dtx＝10mm，“L”形水平向宽度为2×dtx＝5mm，长度为nty×dty+2×dty＝8×1.9+2×1.9＝19mm。
由4个发射子阵与1个接收子阵构成的MIMO小阵长dry×25-dty＝93.1mm，宽drx×17-dtx＝82.5mm
所布置的MIMO天线阵列，其方向图计算结果如下图2至16所示。方向图计算结果显示单个接收子阵及发射子阵之间合成方向图均形成了栅瓣，但经过此种布阵方法得到的发射天线接收天线合成方向图没有栅瓣，获得单一主瓣方向图，而且副瓣电平也得到有效抑制，证明了此布阵方法的可行性。附图列举了垂直方向、水平方向不扫描时法向方向图，同时举例水平方向扫描60°的方向图，证明了此布阵方法能有效抑制因稀疏化带来的方向图栅瓣。
实施例二
如图17所示，图17为本实施例由6个MIMO天线小阵组成的稀疏化天线阵列。
在实施例一的基础上，将6个MIMO小阵组合成MIMO天线阵列，MIMO天线阵列为长方形，长度为5倍MIMO天线小阵长度，宽度为5倍MIMO天线小阵宽度。发射方向图与接收方向图合成后，同样能有效抑制MIMO天线阵列方向图因稀疏化布阵带来的栅瓣，方向图实例与案例一类似，不再重复。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多入多出稀疏化天线，其特征在于，包括若干多入多出天线子阵，所述多入多出天线子阵稀疏化设置，所述多入多出天线子阵包括4个非稀疏化设置的发射子阵与1个稀疏化设置的接收子阵，所述发射子阵和所述接收子阵之间设置有间隙，所述间隙内设置有周期性分布的平面人工磁导体结构；
所述多入多出天线子阵整体设置为矩形，4个所述发射子阵分别设置在所述多入多出天线子阵的四角，所述发射子阵中的发射天线单元呈矩形栅格分布，所述发射子阵的阵面呈矩形，所述接收子阵设置在所述多入多出天线子阵的中部，所述接收子阵中的接收天线单元呈矩形栅格分布，所述接收子阵的阵面呈十字型；
所述发射子阵采用非稀疏化布阵，所述发射天线单元的水平向单元间距和垂直向单元间距需满足相控阵对应扫描角度对天线单元间距的约束关系式：
其中，d为所述发射子阵的水平向单元间距，λ为天线工作波长，θ为所述发射子阵在水平向的扫描角度；
其中，d’为所述发射子阵的垂直向单元间距，λ为天线工作波长，θ‘为所述发射子阵在垂直向的扫描角度；
所述发射子阵、所述接收子阵在水平向、垂直向所需单元数量满足公式：
其中，N1为所述发射子阵在水平向所需的发射天线单元数量，λ为天线工作波长，B1为所述发射子阵在水平向所要求的波束宽度，d1为所述发射子阵在水平向的单元间距；
其中，N2为所述接收子阵在水平向所需的接收天线单元数量，λ为天线工作波长，B2为所述接收子阵在水平向所要求的波束宽度，d2为所述接收子阵在水平向的单元间距；
其中，N3为所述发射子阵在垂直向所需的发射天线单元数量，λ为天线工作波长，B3为所述发射子阵在水平向所要求的波束宽度，d3为所述发射子阵在垂直向的单元间距；
其中，N4为所述接收子阵在水平向所需的接收天线单元数量，λ为天线工作波长，B4为所述接收子阵在水平向所要求的波束宽度，d4为所述接收子阵在水平向的单元间距；所述接收子阵的水平单元间距为所述发射子阵的水平单元间距2～4的整数倍，所述接收子阵的垂直单元间距为所述发射子阵的垂直单元间距2～4的整数倍；
所述发射子阵与所述接收子阵之间的间隙呈L形；
所述间隙的垂直段间隙宽度为2～4倍的所述发射子阵的水平单元间距，高度等于所述发射子阵的垂直单元间距乘以所述发射子阵垂直向的单元数量；
所述间隙的水平段间隙宽度为2～4倍的所述发射子阵的垂直单元间距，长度等于所述发射子阵的水平单元间距乘以所述发射子阵水平向的单元数量加上所述间隙的垂直段间隙宽度。
2.如权利要求1所述的多入多出稀疏化天线，其特征在于，所述接收子阵在水平向的单元数量由所述接收子阵在水平向的波束宽度决定，所述接收子阵在垂直向的单元数量由所述接收子阵在垂直向的波束宽度决定。
3.如权利要求1所述的多入多出稀疏化天线，其特征在于，所述平面人工磁导体结构的工作带宽与所述多入多出稀疏化天线的工作带宽一致。
4.如权利要求1所述的多入多出稀疏化天线，其特征在于，所述多入多出稀疏化天线内所述多入多出天线子阵的水平向单元间距为2倍的所述多入多出天线子阵在水平向的长度，垂直向单元间距为2倍的所述多入多出天线子阵在垂直向的长度。
5.如权利要求1所述的多入多出稀疏化天线，其特征在于，所述多入多出天线子阵在水平向的长度为所述接收子阵在水平向的单元数量乘以所述接收子阵的水平单元间距；所述多入多出天线子阵在垂直向的长度为所述接收子阵在垂直向的单元数量乘以所述接收子阵的垂直单元间距。
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