一种用于交通信息检测雷达的阵列天线及其实现方法与流程

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种用于交通信息检测雷达的阵列天线及其实现方法。

背景技术：

现有技术的交通雷达主要工作在24ghz和77ghz两个频段。图1为现有技术的雷达天线的示意图，如图1所示，现有的交通雷达天线用于接收的阵列天线包含m×n(m>1，n≥1)个阵元{r11，r12，……，rmn}，接收天线一共有m个接收通道{r1，r2，……，rm}，每个接收通道对应n个阵元，每个阵元为一组线阵，rmn(1≤m≤m，1≤n≤n)为第m个接收通道的第n个阵元。

接收通道方位面波束宽度为：

其中，θ3db为接收通道方位面波束宽度，λ为工作波长，f为方位面线阵数，d为线阵间距。

可见，雷达天线有效尺寸越大，波束角越窄。交通检测雷达安装位置面积有限，要求雷达尺寸尽可能小，同时波束角尽可能窄以探测更远的距离。

然而，现有的技术不能同时保证天线波束角、天线间距和雷达天线尺寸，不能很好地满足交通检测雷达的安装和测试要求。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种用于交通信息检测雷达的阵列天线及其实现方法，以解决同时满足雷达探测精度和雷达天线尺寸的综合要求的问题。

本发明提供的一种用于交通信息检测雷达的阵列天线，包括：贴片阵列和功分合成网络；

所述贴片阵列与所述功分合成网络相连接；

其中，所述贴片阵列包括：m+n-1个微带线阵；

其中，所述功分合成网络包括：m+n-1个初级功分网络和m个次级合成网络；

其中，m、n为自然数且1＜m＜n，n≤4。

进一步，本发明所述的用于交通信息检测雷达的阵列天线，每个所述初级功分网络设有一个输入端和n个输出端，每个所述微带线阵连接一个所述初级功分网络的输入端，每个来自于所述微带线阵的输入信号经过所述初级功分网络分为n个次级信号。

进一步，本发明所述的用于交通信息检测雷达的阵列天线，每个所述次级合成网络设有n个输入端和一个输出端，每个所述次级合成网络的n个输入端连接n个所述初级功分网络，n个来自于不同的所述微带线阵的所述次级信号经过所述次级合成网络对信号能量加权后合成为一个输出信号。

进一步，本发明所述的用于交通信息检测雷达的阵列天线，每个所述次级合成网络的输出端连接一个接收通道。

进一步，本发明所述的用于交通信息检测雷达的阵列天线，m+n-1个所述微带线阵的相邻间隔为半波长至一倍波长之间。

进一步，本发明所述的用于交通信息检测雷达的阵列天线，还包括：第一基板、上层导电接地层、第二基板、下层导电接地层和第三基板；

其中，所述微带线阵、所述第一基板、所述上层导电接地层、所述第二基板、所述下层导电接地层、所述第三基板和所述功分合成网络依次顺序设置。

本发明提供的一种用于交通信息检测雷达的阵列天线的实现方法，所述实现方法应用于本发明所述的阵列天线，所述实现方法包括：

将来自于m+n-1个微带线阵的输入信号通过功分合成网络进行初级分配；

将初级分配后得到的次级信号通过所述功分合成网络进行次级信号能量加权合成；

将次级信号能量加权合成后的输出信号送至m个接收通道。

进一步，本发明所述的实现方法，所述功分合成网络包括：m+n-1个初级功分网络和m个次级合成网络；

所述初级分配包括：将每个所述输入信号通过所述初级功分网络分配为n个所述次级信号；

所述次级信号能量加权合成包括：将来源于n个不同微带线阵的次级信号通过所述次级合成网络进行次级信号能量加权合成为一个输出信号。

本发明提供的一种用于交通信息检测雷达的阵列天线及其实现方法，将微带线阵信号通过初级分配网络和次级合成网络，重新组合成m副天线阵列。与现有技术相比，增加了天线有效孔径，波束宽度更窄，避免了波束栅瓣，同时达到了天线最佳的尺寸。本发明的阵列天线通道增益高、波束窄、结构紧凑，有助于探测更远距离和减少杂波干扰，同时雷达尺寸更小以便安装或集成。本发明阵列天线的采用平面结构，可与射频微波电路板集成，结构简单，调试方便。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术的雷达天线的示意图；

图2为本发明实施例的用于交通信息检测雷达的阵列天线的结构示意图；

图3为本发明实施例的用于交通信息检测雷达的阵列天线的原理示意图；

图4为本发明实施例的阵列天线的正面结构示意图；

图5为本发明实施例的阵列天线的背面结构示意图；

图6为本发明实施例的阵列天线的侧面剖视结构示意图；

图7为本发明实施例的阵列天线e面和h面增益方向图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

附图标记说明：1-贴片阵列、11-微带线阵、111-贴片单元a、112-贴片单元b、113-贴片单元c、114-贴片单元d、2-功分合成网络、21-初级功分网络、22-次级合成网络、211-不等功分器e、212-等功分器f、221-等功分器g、222-等功分器h、23-隔离电阻、24-匹配负载、3-接收通道、41-第一基板、42-上层导电接地层、43-第二基板、44-下层导电接地层、45-第三基板、51-同轴馈电、52-过孔、53-微带线调节枝节。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图2为本发明实施例的用于交通信息检测雷达的阵列天线的结构示意图，如图2所示，本发明实施例的用于交通信息检测雷达的阵列天线，包括：贴片阵列1和功分合成网络2；

所述贴片阵列1与所述功分合成网络2相连接；

其中，所述贴片阵列1包括：m+n-1个微带线阵11；

其中，所述功分合成网络2包括：m+n-1个初级功分网络21和m个次级合成网络22；

其中，m、n为自然数且1＜m＜n，n≤4。

具体地，贴片阵列1中的微带线阵11与功分合成网络2中的初级功分网络21相连接，初级功分网络21与次级合成网络22连接。阵列天线为24ghz，但本发明并不以此为限。接收信号经与微带线阵直接相连的初级功分网络21初级分配后，通过次级合成网络22的合成达成对信号能量的加权，然后分别进入多个接收通道3。功分合成网络2可采用微带功分器结构，其包括多个一分二等功率分配器和不等功率分配器。

本发明实施例的阵列天线，设工作波长λ，方位面线阵数f，线阵间距d与图1所示现有技术的阵列天线相同。则根据接收通道方位面波束宽度的计算公式进行计算：

可知，本发明实施例的阵列天线与图1所示现有技术的阵列天线相比，接收通道方位面波束宽度θ3db是相等的，即波束角是相等的。但是本发明实施例的阵列天线的尺寸为(m+n-2)×d，而图1所示现有技术的阵列天线的尺寸为(m×n-1)×d。可见，在m、n较大的情况下，本发明实例的阵列天线的尺寸远远小于图1所示现有技术的阵列天线的尺寸。本发明实例的阵列天线与现有技术的阵列天线相比，波束更窄、结构更紧凑，有助于探测更远距离和减少杂波干扰，同时雷达尺寸更小以便安装或集成，满足了交通雷达天线更高精度和结构更紧凑的综合要求。

图3为本发明实施例的用于交通信息检测雷达的阵列天线的原理示意图，如图3所示，本发明实施例的阵列天线包括：m+n-1个微带线阵11和x个初级功分网络21。其中，x＝m+n-1。即每个微带线阵11与一个初级功分网络21相对应。m+n-1个微带线阵11的尺寸为(m+n-2)×d，d为线阵间距。每个所述初级功分网络21设有一个输入端和n个输出端，每个初级功分网络21的n个输出端被标记为{r11，r12，……，r1n}，每个所述微带线阵11连接一个所述初级功分网络21的输入端，每个来自于所述微带线阵的输入信号经过所述初级功分网络21分为n个次级信号，分别从n个输出端{r11，r12，……，r1n}输出。两侧微带线阵11初次分配后的n路信号中未参与功率合成的射频端口接匹配负载24。

如图3所示，每个所述次级合成网络22设有n个输入端和一个输出端，m个次级合成网络22的输出端分别被标为{r1，r2，……，rm}，每个次级合成网络22的输出端与接收通道3连接。每个次级合成网络22的n个输入端与n个不同初级功分网络21的输入端相连接，来自于n个不同的微带线阵11的输入信号经初级功分网络21转换为n个次级信号，n个次级信号再经过次级合成网络22对信号能量加权后合成为一个输出信号。

如图2所示，每个所述次级合成网络22的输出端连接一个接收通道3，将输出信号送入接收通道3。

进一步，为了提高增益，在中频进行增益补偿，补偿的增益为10lg(n)分贝。

进一步，本发明所述的用于交通信息检测雷达的阵列天线，m+n-1个所述微带线阵的相邻间隔为半波长至一倍波长之间，可避免产生栅瓣。

例如，天线阵列包括10个微带线阵和10个功分合成网络，线阵间距d为0.64倍波长，每个微带线阵的输入信号经初级功分网络分为3个次级信号，经次级合成网络2最终合成至8个接收通道3，每个接收通道3对应一个接收天线孔径，每个接收天线孔径为1.92倍波长，对应3个微带线阵的输入信号的合成，整个天线阵列有效长度为6.4倍波长。

图4为本发明实施例的阵列天线的正面结构示意图，图5为本发明实施例的阵列天线的背面结构示意图，如图4所示，在阵列天线正面设有贴片阵列1。其中，贴片阵列1由10个微带线阵11组成。每个所述微带线阵11包括：至少两个贴片单元(111～114)。具体地，每个微带线阵包括8个的贴片单元，即贴片单元a(111)、贴片单元b(112)、贴片单元c(113)、贴片单元d(114)以及与其沿中部呈镜面对称的剩余4个贴片单元，各贴片单元间距为6.80mm。贴片单元d(114)的长度为3.25mm，宽度为4.60mm。贴片单元c(113)的长度为3.25mm，宽度为4.20mm。贴片单元b(112)的长度为3.05mm，宽度为3.40mm。贴片单元a(111)的长度为3.20mm，宽度为1.80mm。微带馈线宽度为0.15mm，微带线阵通过同轴馈电51与背面的功分合成网络2连接，端口匹配和相位通过过孔52和微带线调节枝节53来调节实现。

图5为本发明实施例的阵列天线的背面结构示意图，如图5所示，阵列天线背面设有功分合成网络2。每个所述功分合成网络2包括：至少两个等功率分配器和至少两个不等功率分配器，每一级功分器结构形式相同。本实施例中，初级功分网络21由不等功分器e(211)和等功分器f(212)组成，次级合成网络22由等功分器g(221)和等功分器h(222)组成。所述功分合成网络由10个初级功分网络和8个次级合成网络组成。功分器的隔离电阻23为100欧姆。

10个初级功分网络21与10个微带线阵11对应连接，每个来自于微带线阵11的输入信号经过初级功分网络21分为3路次级信号。初级分配后的次级信号经次级合成网络21输入至8个接收通道3。每个接收通道3对应接收一路由3个不同微带线阵11初级分配后的3路能量合成的输出信号。两侧微带线阵初次分配后的未参与功率合成的射频端口接匹配负载24。

图6为本发明实施例的阵列天线的侧面剖视结构示意图，如图6所示，本发明实施例的用于交通信息检测雷达的阵列天线，还包括：第一基板41、上层导电接地层42、第二基板43、下层导电接地层44和第三基板45。

其中，所述微带线阵11、所述第一基板41、所述上层导电接地层42、所述第二基板43、所述下层导电接地层44、所述第三基板45和所述功分合成网络2依次顺序设置。

其中，第一基板41和第三基板45可采用rogers4350基板，rogers4350基板是美国罗斯杰进口板材的一种，相对介电常数为3.48，厚度为0.25mm。第二基板43可采用fr4基板，fr4(环氧玻璃布层压板)基板相对介电常数为4.4，厚度为0.50mm。

图7为本发明实施例的阵列天线e面和h面增益方向图，如图7所示，e面3db波束宽度13度，h面3db波束宽度50度，通道增益9db。

本发明实施例还提供一种用于交通信息检测雷达的阵列天线的实现方法，所述方法应用于本发明图2和图3所示的阵列天线，所述实现方法包括：

将来自于m+n-1个微带线阵11的输入信号通过功分合成网络2进行初级分配；

将初级分配后得到的次级信号通过功分合成网络2进行次级信号能量加权合成；

将次级信号能量加权合成后的输出信号送至m个接收通道3。

进一步，所述功分合成网络2包括：m+n-1个初级功分网络21和m个次级合成网络22；

所述初级分配包括：将每个所述输入信号通过所述初级功分网络21分配为n个所述次级信号；

所述次级信号能量加权合成包括：将来源于n个不同微带线阵11的次级信号通过所述次级合成网络22进行次级信号能量加权合成为一个输出信号。

其中，次级合成网络22的一个输入端与初级功分网络21的一个输出端连接，次级合成网络22的n个输入端分别连接n个不同初级功分网络21的一个输出端。

本发明实施例的阵列天线的实现方法为图2和图3所示的阵列天线的实现方法，其具体原理与图2和图3所示的阵列天线相同，此处不再赘述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。