一种毫米波雷达天线阵列、构建方法及毫米波雷达与流程

1.本发明涉及毫米波雷达领域，具体涉及一种毫米波雷达天线阵列、构建方法及毫米波雷达。


背景技术：

2.路侧感知技术可以有效拓展自动驾驶车辆和驾驶员感知范围，并通过车路协同技术(vehicle to everything，v2x)实现人-车-路-云的一体化运行监测，第一时间发现道路通行异常，实现车路协同、车云协同、区域路云协同等智能应用，满足自动驾驶车辆、社会车辆智能出行需求，同时它能使监管机构变得更加高效灵活，从而建立一个响应速度更快、更加灵活的监管环境，利用摄像机、毫米波雷达、激光雷达等传感器，并结合路侧边缘计算，其最终目的是实现对该路段的交通参与者、路况等的瞬时智能感知。
3.对于路侧雷达而言，复杂的交通与道路环境对雷达工作的精确度提出了非常高的要求，尤其是雷达的角度分辨率，其往往决定了毫米波雷达能否在实际场景中发挥应有的作用。工作于76～81ghz频段的毫米波雷达拥有比较理想的距离与速度测量性能，而角度测量性能却比较受到限制。阵列提高角分辨率的有效手段是通过增加天线个数的方式从而直接拉大阵列孔径，但是在一般情况下，提供给天线进行布阵的物理位置十分有限，能够超精度辨识目标的大型阵列无法实现，因此，需要在有限阵元数目的情况下，通过布阵优化和应用各种高精度的波达方向(direction of arrival，doa)算法以提高雷达的角度分辨率和目标识别能力。
4.均匀线阵因为其简单的设计方式和便捷的处理运算，多年来都被广泛应用于各种天线阵列中，但其也具有诸多缺陷：为了避免空间模糊，阵元单元间距通常需要设置小于半波长，且诸多基于均匀线阵的doa估计算法的分辨率和精度都会受到阵元数量、阵元间距、信噪比、以及快拍个数等因素的影响。此外，在应用高载频雷达的背景下，半波长布阵的均匀线阵因为阵元间距过小往往可能出现元件间的相互耦合现象，这对doa 估计的结果有非常不利的影响。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种毫米波雷达天线阵列、构建方法及毫米波雷达。
6.本发明提供了一种毫米波雷达天线阵列，包括接收天线阵列、发射天线阵列、以及电磁带隙结构，具有这样的特征：接收天线阵列包括第一至第八接收天线单元，第一至第六接收天线单元在水平方向间隔设置且水平间距为d，第六至第八接收天线单元在竖直方向间隔设置且竖直间距为6d；发射天线阵列包括第一至第六发射天线单元，第一至第五发射天线单元在水平方向间隔设置且水平间距为6d，第六发射天线单元和第一发射天线单元在竖直方向隔设置且竖直间距为18d；电磁带隙结构布置在接收天线阵列和发射天线阵列的整体的水平方向的两侧；其中，d为自由空间半波长的长度。
7.在本发明提供的毫米波雷达天线阵列中，还可以具有这样的特征：每个接收天线单元包括在竖直方向分布且串联的五个矩形微带贴片，每个发射天线单元包括在竖直方向分布且串联的十个矩形微带贴片。
8.在本发明提供的毫米波雷达天线阵列中，还可以具有这样的特征：第一至第六接收天线单元在水平方向从左至右间隔设置，第六至第八接收天线单元在竖直方向从上至下间隔设置；第一至第五发射天线单元在水平方向从左至右间隔设置，并且在竖直方向位于接收天线阵列的下侧，第六发射天线单元和第一发射天线单元在竖直方向从上至下间隔设置，并且第六发射天线单元在水平方向位于接收天线阵列的左侧。
9.在本发明提供的毫米波雷达天线阵列中，还可以具有这样的特征：接收天线阵列和发射天线阵列的整体的水平方向的每侧布置有三列电磁带隙结构，并且电磁带隙结构为圆形电磁带隙结构。
10.在本发明提供的毫米波雷达天线阵列中，还可以具有这样的特征：毫米波雷达天线阵列在水平方向能通过mimo虚拟形成最大数目为30单元的半波长等间距线阵，在俯仰方向能通过mimo虚拟形成最大数目为6单元的测角阵。
11.本发明还提供了一种上述毫米波雷达天线阵列的构建方法，具有这样的特征，包括：根据毫米波雷达确定毫米波雷达天线阵列的工作信号的波长，并根据视场角和增益的要求确定毫米波雷达天线阵列的辐射阵面的几何尺寸；根据阵元数及各阵元辐射激励功率的锥削分布的要求，设计接收天线单元和发射天线单元的矩形微带贴片的宽度和长度；将八个接收天线单元中的第一至第六接收天线单元以d为间距水平间隔设置，第六至第八接收天线单元以6d为间距竖直间隔设置，将六个发射天线单元中的第一至第五发射天线单元以6d为间距水平间隔设置，第六发射天线单元和第一发射天线单元以18d为间距竖直间隔设置，将电磁带隙结构布置在接收天线阵列和发射天线阵列的整体的水平方向的两侧，并调节其过孔和贴片的尺寸以匹配毫米波雷达的工作频率。
12.在本发明提供的毫米波雷达天线阵列的构建方法中，还可以具有这样的特征：毫米波雷达为工作频率在76～81ghz的路侧毫米波雷达。
13.本发明还提供了一种毫米波雷达，具有这样的特征：包括上述的毫米波雷达天线阵列。其中，毫米波雷达为工作频率在76～81ghz的路侧毫米波雷达。
14.发明的作用与效果
15.根据本发明所涉及的毫米波雷达天线阵列、构建方法及毫米波雷达，因为优化了接收天线阵列和发射天线阵列的各天线单元的数量和间距，所以，本发明使有限的阵列单元数在尽可能小的空间内能获取到尽可能大的阵列孔径，拥有更高的角度分辨率；因为在接收天线阵列和发射天线阵列的整体的水平方向的两侧均布置电磁带隙结构，所以，本发明能有效抑制电磁干扰耦合，实现大角度视场角探测；因为毫米波雷达天线阵列在水平方向可通过mimo虚拟形成30单元半波长等间距线阵，而实际水平方向的接收天线单元仅有6单元，所以，本发明增加了水平doa的分辨率和精度，可有效避免空间模糊；因为毫米波雷达天线阵列在俯仰方向可通过mimo虚拟形成6单元测角阵，所以，本发明有效改善了俯仰角度分辨率。
附图说明
16.图1是本发明的实施例中毫米波雷达天线阵列的平面示意图；
17.图2是本发明的实施例中毫米波雷达天线阵列的接收天线单元和发射天线单元的位置示意图；
18.图3是本发明的实施例中mimo等效虚拟阵列的示意图。
19.附图标记说明：
20.10接收天线阵列；11接收天线单元；20发射天线阵列；21发射天线单元；30电磁带隙结构。
具体实施方式
21.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。
22.实施例
23.本实施例提供了一种毫米波雷达天线，包括新型设计的毫米波雷达天线阵列。其中，毫米波雷达为工作频率在76～81ghz的路侧毫米波雷达。
24.图1是毫米波雷达天线阵列的平面示意图。
25.如图1所示，毫米波雷达天线阵列包括接收天线阵列10、发射天线阵列20、以及电磁带隙结构30。取自由空间半波长的长度为d，下面对各部分做具体说明。
26.图2是毫米波雷达天线阵列的接收天线单元和发射天线单元的位置示意图。
27.如图1和图2所示，接收天线阵列10包括八个接收天线单元11，分别为第一接收天线单元rx1至第八接收天线单元rx8，每个接收天线单元为串状天线，包括在竖直方向分布且串联的五个矩形微带贴片。其中，第一接收天线单元rx1至第六接收天线单元rx6在水平方向从左至右间隔设置且水平间距为d，第六接收天线单元rx6至第八接收天线单元rx8在竖直方向从上至下间隔设置且竖直间距为6d。
28.发射天线阵列20包括六个发射天线单元21，分别为第一发射天线单元tx1至第六发射天线单元tx6，每个发射天线单元为串状天线，包括在竖直方向分布且串联的十个矩形微带贴片。其中，第一发射天线单元tx1至第五发射天线单元tx5在水平方向从左至右间隔设置且水平间距为6d，第六发射天线单元tx6和第一发射天线单元tx1在竖直方向从上至下间隔设置且竖直间距为18d，而且第一发射天线单元tx1至第五发射天线单元tx5在竖直方向位于接收天线阵列10的下侧，第六发射天线单元tx6在水平方向位于接收天线阵列10的左侧。
29.通过上述内容可见，本毫米波雷达天线阵列的辐射阵面采用矩形微带贴片，其以串联的形式相互连接，组成微带阵列天线单元，控制矩形微带贴片的宽度进行幅度加权，调整相邻两天线单元的水平间距和竖直间距使相位同向，形成低副瓣阵列。
30.接收天线阵列10和发射天线阵列20的整体水平方向的左右两侧均布置有多列电磁带隙结构30，能有效抑制电磁干扰耦合，使天线阵列实现大角度视场角(field of view，fov)探测。在本实施例中，接收天线阵列10和发射天线阵列20的整体水平方向的每侧布置有三列电磁带隙结构30，并且电磁带隙结构30为圆形电磁带隙结构。
31.图3是mimo等效虚拟阵列的示意图。
32.如图3所示，本毫米波雷达天线阵列能虚拟为48单元mimo等效虚拟阵列，拥有良好的水平和俯仰测角能力。
33.具体地，天线阵列在水平方向能通过mimo虚拟形成最大数目为30单元的半波长等间距线阵，可有效避免空间模糊，同时增加了水平doa的分辨率和精度。天线阵列在俯仰方向能通过mimo虚拟形成最大数目为6单元的测角阵，可有效改善俯仰角度分辨率。
34.根据角度分辨率θ
res
的计算公式：θ
res
＝λ/(n*l*cos(θ))，其中n为天线单元个数，l为天线单元之间的间距，θ为目标与天线阵列之间的夹角，以目标位于天线阵列正前方计算角度分辨率，此时θ为0
°
。天线阵列在水平方向等效为30单元、间距为d的接收阵列，代入计算公式可得到水平方向的角度分辨率θ
res
＝1/15(弧度)，转换成角度为3.8
°
；天线阵列在俯仰方向等效为6单元、间距为6d的接收阵列，代入计算公式可得到角度分辨率θ
res
＝1/18(弧度)，转换成角度为3.2
°
。需要说明的是，此处计算时采用全向天线，实际天线加权后波束会更窄，所以获得的实际角度分辨率会高于上述计算的理论值，可见本毫米波雷达天线阵列的mimo等效虚拟阵列能有效提高水平和俯仰角度分辨率。
35.本毫米波雷达天线阵列还包括介质基板，介质基板可选用介电常数为3的罗杰斯3003板材，发射天线阵列20、接收天线阵列10、以及电磁带隙结构30均设置在其上。
36.本实施例还提供了一种上述毫米波雷达天线阵列的构建方法，包括：
37.根据工作频率为76～81ghz的路侧毫米波雷达确定天线阵列的工作信号的波长，并根据视场角和增益的要求确定天线阵列的辐射阵面的几何尺寸；
38.根据阵元数及各阵元辐射激励功率的锥削分布的要求，设计接收天线单元和发射天线单元的矩形微带贴片的宽度和长度；
39.将八个接收天线单元10中的第一至第六接收天线单元以d为间距水平间隔设置，第六至第八接收天线单元以6d为间距竖直间隔设置，将六个发射天线单元20中的第一至第五发射天线单元以6d为间距水平间隔设置，第六发射天线单元和第一发射天线单元以18d为间距竖直间隔设置，将电磁带隙结构30布置在接收天线阵列10和发射天线阵列20的整体的水平方向的两侧，并调节其过孔和圆形贴片的尺寸以匹配毫米波雷达的工作频率。
40.其中，在符合某些几何尺寸设计的条件下，本毫米波雷达天线阵列还能由两片3发4收通道的射频芯片级联配置构成。
41.对于本领域技术人员来说，接收天线单元和发射天线单元除了采用上文所示的微带天线，也可以采用波导天线、喇叭天线或缝隙天线。
42.实施例的作用与效果
43.根据本实施例所涉及的毫米波雷达、毫米波雷达天线阵列及其构建方法，因为优化了接收天线阵列和发射天线阵列的各天线单元的数量和间距，所以，本发明使有限的阵列单元数在尽可能小的空间内能获取到尽可能大的阵列孔径，拥有更高的角度分辨率；因为在接收天线阵列和发射天线阵列的整体的水平方向的两侧均布置电磁带隙结构，所以，本发明能有效抑制电磁干扰耦合，实现大角度视场角探测；因为毫米波雷达天线阵列在水平方向可通过mimo虚拟形成30单元半波长等间距线阵，而实际水平方向的接收天线单元仅有6单元，所以，本发明增加了水平doa的分辨率和精度，可有效避免空间模糊；因为毫米波雷达天线阵列在俯仰方向可通过mimo虚拟形成6单元测角阵，所以，本发明有效改善了俯仰角度分辨率。
44.上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。