CN106257303A - 雷达及切换致能阵列天线的方法 - Google Patents

Abstract

一种雷达及切换致能阵列天线的方法。该雷达包括：一收发器、一多发多收阵列天线、一相位阵列天线以及一控制单元；该多发多收阵列天线耦接该收发器，包括多个第一发射子阵列及多个接收子阵列；该相位阵列天线耦接该收发器，包括多个第二发射子阵列以及该些接收子阵列；该控制单元耦接至该收发器，经配置以切换致能该些第一发射子阵列以致能该多发多收阵列天线，或切换致能该些第二发射子阵列以致能该相位阵列天线。本发明提供的一种同时包括MIMO阵列天线以及相位阵列天线的雷达，可同时具备这两种阵列天线的优点。并且，本发明提出的切换致能阵列天线的方法，可因应于当下的情境致能较合适的阵列天线。

Description

雷达及切换致能阵列天线的方法

技术领域

本发明涉及一种雷达及切换致能(switching to enable)阵列天线的方法。

背景技术

阵列天线是多个相同的天线按一定规律排列组成的天线系统，其广泛地应用于雷达系统中，如微波/毫米波雷达系统。在公知技术中，天线阵列可实现为多发多收(Multiple InputMultiple Output，MIMO)阵列天线或相位阵列(Phased Array)天线的形态。

在公知技术中，MIMO阵列天线可藉由例如推迟发送时间的方式来传送信号。并且，通过适当的选择发送时间差，MIMO阵列天线的接收端可以辨识来自不同障碍物的反射信号。此外，藉由天线摆放位置的不同，MIMO阵列天线也可以形成新的虚拟阵列天线(Virtual Array Antenna)，进而提高角度分辨率(Angular Resolution)。

另一方面，相位阵列天线则是利用大量独立控制的小型天线元件(一般称为移相器)排列成天线阵面，并藉由控制各天线元件发射的时间差来合成不同相位(指向)的主波瓣。具体而言，相位阵列天线各移相器发射的电磁波以相长干涉强化并合成一个接近笔直的雷达主波瓣，而旁波瓣则由于相消干涉而大幅减低。相位阵列天线运作时，其控制系统可将所需的波瓣指向送至后端的波瓣控制单元。接着，波瓣控制单元可据此计算出每个移相器发射电磁波的时间并对移相器下达指令，使得各移相器发射的电磁波相互干涉而形成所需要的波瓣。由于可产生较高增益的主波瓣，因此相位阵列可达到的检测距离也较长。

虽然MIMO阵列天线以及相位阵列天线个别有角度分辨率高以及长检测距离的优点，但反面而言，MIMO阵列天线以及相位阵列天线也个别有短检测距离及角度分辨率低的缺点。因此，若能整合上述两种天线阵列并让其个别在适当时机发挥功效的话，势必可有效地提升雷达检测的表现。

因此，需要提供一种雷达及切换致能阵列天线的方法来满足上述需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种同时包括MIMO阵列天线以及相位阵列天线的雷达，其可同时具备这两种阵列天线的优点。并且，本发明亦提出切换致能阵列天线的方法，其可因应于当下的情境致能较合适的阵列天线。

本发明提供一种雷达，该雷达包括一收发器、一多发多收阵列天线、一相位阵列天线以及一控制单元；该多发多收阵列天线耦接该收发器，包括多个第一发射子阵列及多个接收子阵列；该相位阵列天线耦接该收发器，包括多个第二发射子阵列以及该些接收子阵列；该控制单元耦接至该收发器，经配置以切换致能该些第一发射子阵列以致能该多发多收阵列天线，或切换致能该些第二发射子阵列以致能该相位阵列天线。

本发明提供一种切换致能阵列天线的方法，适于包括多发多收阵列天线以及相位阵列天线的雷达中的控制单元。所述方法包括：判断是否可取得全球定位系统(GPS)信号；若是，依据全球定位系统信号判断雷达是否位于特定路段上；若是，切换致能所述多个第二发射子阵列以致能相位阵列天线。

本发明提供一种切换致能阵列天线的方法，该方法应用于一雷达，该雷达包括一多发多收阵列天线、一相位阵列天线以及一控制单元，所述方法包括：判断是否可取得一全球定位系统信号；若是，依据该全球定位系统信号判断该雷达是否位于一特定路段上；若是，切换致能该些第二发射子阵列以致能该相位阵列天线。

基于上述，本发明实施例提出的雷达同时配置有MIMO阵列天线以及相位阵列天线，因而可同时具有这两种阵列天线的优点，进而改善了仅包括其中一种阵列天线的公知雷达的缺点。另外，本发明提出的方法可依据是否可取得GPS信号和/或雷达的移动速度是否大于预设门限值来切换致能MIMO阵列天线或相位阵列天线，因而能够让雷达因应于各种不同的情境使用较为适合的阵列天线来进行检测。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依据本发明的一实施例绘示的雷达示意图。

图2是依据本发明的一实施例绘示的雷达示意图。

图3是依据图2实施例绘示的虚拟阵列天线辐射场型图。

图4是依据图2实施例绘示的相位阵列天线中的第二发射子阵列的天线辐射场型图。

图5是依据图2及图4实施例绘示的多个接收子阵列的天线辐射场型图。

图6是依据本发明的一实施例绘示的双向(two-way)场型图。

图7是依据本发明的一实施例绘示的切换致能阵列天线的方法。

图8A是依据本发明的一实施例绘示的当雷达位于特定路段时检测其他交通工具的示意图。

图8B是依据图8A实施例绘示的当雷达不位于特定路段时检测其他交通工具的示意图。

主要组件符号说明：

100、200、810 雷达

110、210 收发器

120、220 MIMO阵列天线

130、230 相位阵列天线

140、240 控制单元

800、820～860 车辆

D1 第一距离

D2 第二距离

D3 第三距离

PA1 第一块状天线

PA2 第二块状天线

PC1、PC2 相位中心

R1～R8 接收子阵列

RX1～RX16、TX1～TX4、 场型

RX1’～RX8’、RX1”～RX8”、

815、815’

S710～S750 步骤

T1_1、T1_2 第一发射子阵列

T2_1～T2_4 第二发射子阵列

具体实施方式

图1是依据本发明的一实施例绘示的雷达示意图。在本实施例中，雷达100例如是车用雷达、军用雷达或是其他类似用途的雷达，但可不限于此。雷达100包括收发器110、MIMO阵列天线120、相位阵列天线130以及控制单元140。收发器110可包括传送器电路、接收器电路、模拟转数字(analog-to-digital，A/D)转换器、数字转模拟(digital-to-analog，D/A)转换器、低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)、混波器、滤波器、匹配电路、传输线、功率放大器(power amplifier，PA)和/或本地储存媒介等组件，用以处理欲通过MIMO阵列天线120以及相位阵列天线130发射的信号，或是经由MIMO阵列天线120以及相位阵列天线130接收的信号。

MIMO阵列天线120例如可实现为巴特勒矩阵(Butler matrix)或其他的类似的波束成形天线阵列，但可不限于此。MIMO阵列天线120包括耦接于收发器110的第一发射子阵列T1_1、T1_2、接收子阵列R1及R2。相位阵列天线130包括耦接于收发器110的第二发射子阵列T2_1、T2_2、接收子阵列R1及R2。在本实施例中，MIMO阵列天线120以及相位阵列天线130可通过各自的发射子阵列发射用于检测障碍物的信号，并共用接收子阵列R1及R2来接收从障碍物反射的信号，但可不限于此。此外，由于MIMO阵列天线120包括两个发射子阵列T1_1、T1_2、两个接收子阵列R1及R2，因此可简称为2X2(即2发2收)的MIMO阵列天线。基于相似原则，相位阵列天线130即可简称为2X2的相位阵列天线。

耦接于收发器110的控制单元140例如是一般用途处理器、特殊用途处理器、传统的处理器、数字信号处理器、多个微处理器(microprocessor)、一个或多个结合数字信号处理器核心的微处理器、控制器、微控制器、特殊应用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现场可编程门阵列电路(Field Programmable Gate Array，FPGA)、任何其他种类的集成电路、状态机、基于进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine，ARM)的处理器以及类似品。在本实施例中，控制单元140例如可存取硬盘或存储器等储存单元(未绘示)中所储存的程序代码、软件或模块来切换致能第一发射子阵列T1_1及T1_2以致能MIMO阵列天线120，或切换致能第二发射子阵列T2_1及T2_2以致能相位阵列天线130，其细节将在之后的篇幅中进行说明。以下将先针对雷达100结构的各种可能的实施方式进行介绍。

如图1所示，第一发射子阵列T1_1、T1_2、第二发射子阵列T2_1及T2_2可配置于收发器110的第一侧(例如是左侧)，且接收子阵列R1及R2可配置于收发器110的第二侧(例如是右侧)。在本实施例中，所述第一侧相对于所述第二侧，但在其他实施例中，在空间足够的情况下，第一发射子阵列T1_1、T1_2、第二发射子阵列T2_1、T2_2、接收子阵列R1及R2也可配置于同一侧。另外，第一发射子阵列T1_1、T1_2、第二发射子阵列T2_1、T2_2、接收子阵列R1及R2也可因应于收发器110的引脚组态而配置于上侧、下侧、左侧及右侧，但本发明的可实施方式不限于此。

在本实施例中，第一发射子阵列T1_1、T1_2、第二发射子阵列T2_1及T2_2个别包括排列为直线的多个第一块状天线(patch antenna)PA1，且接收子阵列R1及R2个别包括排列为直线的多个第二块状天线PA2。第一块状天线PA1例如是绘示为具有不同尺寸的多个黑色长方块，而第二块状天线PA2则例如是绘示为具有不同尺寸的多个白色长方块，但其仅用以示意而并非用以限定本发明可能的实施方式。

在图1的雷达100中，第一发射子阵列T1_1、T1_2、第二发射子阵列T2_1及T2_2可平行排列于第一平面上，且各第一发射子阵列T1_1、T1_2、各第二发射子阵列T2_1及T2_2的相位中心(phase center)可彼此对齐。在本实施例中，由于各第一发射子阵列T1_1、T1_2、各第二发射子阵列T2_1及T2_2所包括的第一块状天线PA1的数量示例性地设为10个，因此上述各发射子阵列的相位中心皆位于从左方数来第5个与第6个第一块状天线PA1之间，亦即最大的两个黑色长方块中间。以第一发射子阵列T1_1为例，其相位中心PC1即位于图1所标示处。此外，接收子阵列R1及R2可平行排列于第二平面上，且各接收子阵列R1及R2的相位中心(例如相位中心PC2)也可彼此对齐。

在本实施例中，第一发射子阵列T1_1及T1_2相距第一距离D1，且相邻的接收子阵列R1及R2相距第二距离D2。为了让MIMO阵列天线120能够被视为虚拟阵列天线来分析，第一距离D1可设计为第二距离D2的8倍，但可不限于此。在此情况下，2X2的MIMO阵列天线120可被视为是1X4的虚拟阵列天线来分析。此外，由于第一发射子阵列T1_1及T1_2彼此相距较远，第二发射子阵列T2_1及T2_2可配置于第一发射子阵列T1_1及T1_2之间，以更为充分地利用雷达100的电路面积。此外，第二发射子阵列T2_1及T2_2可相距第三距离D3。

从另一观点而言，为了让公知的MIMO阵列天线能够被视为虚拟阵天线来分析，设计者将会把发射子阵列之间的距离设计为接收子阵列之间距离的8倍。在此情况下，无形中将导致较低的电路面积使用率。然而，通过本发明实施例提出的结构，除了可提高雷达100的电路面积使用率之外，还可让雷达100同时具备MIMO阵列天线以及相位阵列天线的优点。

在其他实施例中，本发明提出的雷达亦可实现为具有更多发射子阵列以及接收子阵列的形态。请参照图2，图2是依据本发明的一实施例绘示的雷达示意图。在本实施例中，雷达200包括收发器210、MIMO阵列天线220、相位阵列天线230以及控制单元240。MIMO阵列天线220包括耦接于收发器210的第一发射子阵列T1_1～T1_2以及接收子阵列R1～R8。相位阵列天线230包括耦接于收发器110的第二发射子阵列T2_1～T2_4及接收子阵列R1～R8。换言之，MIMO阵列天线220例如是2X8(即，2发8收)的MIMO阵列天线，而相位阵列天线230则例如是4X8(即，4发8收)的相位阵列天线。

在本实施例中，第一发射子阵列T1_1～T1_2中的两个相距第一距离D1，且接收子阵列R1～R8中相邻的两个接收子阵列相距第二距离D2。如图1实施例中所提及的，为了让MIMO阵列天线220能够被视为虚拟阵列天线来分析，第一距离D1可设计为第二距离D2的8倍。在此情况下，2X8的MIMO阵列天线220可被视为是1X16(即，1发16收)的虚拟阵列天线来分析。此外，由于第一发射子阵列T1_1及T1_2彼此相距较远，第二发射子阵列T2_1～T2_4可配置于第一发射子阵列T1_1及T1_2之间，以更为充分地利用雷达200的电路面积。相较于图1所示态样，图2实施例所提出的结构可更进一步提高雷达100的电路面积使用率。

相似于图1的控制单元140，图2中耦接于收发器210的控制单元240同样可切换致能第一发射子阵列T1_1～T1_2以致能MIMO阵列天线220，或切换致能第二发射子阵列T2_1～T2_4以致能相位阵列天线230。换言之，雷达200同样可同时具备MIMO阵列天线以及相位阵列天线的优点。

请参照图3，图3是依据图2实施例绘示的虚拟阵列天线辐射场型图。如图2中所提及的，MIMO阵列天线220可被视为是1X16的虚拟阵列天线来分析，而此虚拟阵列天线的16个接收子阵列所对应的天线场型例如是图3所绘示的场型RX1～RX16。从图3中可清楚看出，在角度为-60至+60之间约有16个明显的主波瓣(即，以黑点标示的波瓣)。

请参照图4，图4是依据图2实施例绘示的相位阵列天线中的第二发射子阵列的天线辐射场型图。在本实施例中，场型TX1～TX4分别例如是当相位阵列230被致能时，第二发射子阵列T2_1～T2_4的天线场型。此处利用水平极化第二发射子阵列T2_1～T2_4，并可藉由改变第二发射子阵列T2_1～T2_4的输出相位来调整天线辐射场型及抑制旁波瓣。如此一来，即可实现在水平平面上的多个波瓣并增加天线增益。此外，由于第二发射子阵列T2_1～T2_4同时发射，因而可改变扫描角度，进而提升运用上的灵活度。请再参照图5，图5是依据图2及图4实施例绘示的多个接收子阵列的天线辐射场型图。在本实施例中，场型RX1’～RX8’分别例如是当相位阵列230被致能时，接收子阵列R1～R8的天线场型。此处藉由改变接收子阵列R1～R8接收信号的大小及所需的相位来调整天线场型及抑制旁波瓣，进而达成在水平平面上较宽广的扫描范围及较高的天线增益。

请参照图6，图6是依据本发明的一实施例绘示的双向场型图。在本实施例中，场型RX1”～RX8”分别例如是合并了第二发射子阵列及接收子阵列的天线辐射场型图。从图6可看出，位于0度至20度之间具有明显的主波瓣，此即代表可藉由选择第二发射子阵列的辐射场型来优化天线辐射场型与天线增益，进而增加检测距离与信噪比。

如先前所提及的，控制单元140例如可存取硬盘或存储器等储存单元(未绘示)中所储存的程序代码、软件或模块来切换致能第一发射子阵列T1_1及T1_2以致能MIMO阵列天线120，或切换致能第二发射子阵列T2_1及T2_2以致能相位阵列天线130。以下将进行详细说明。

图7是依据本发明的一实施例绘示的切换致能阵列天线的方法。本实施例提出的方法可由图1的雷达100执行，以下即搭配图1的各个元件来说明各个步骤的细节。为了便于说明本实施例的概念，以下假设雷达100配置于车辆的四周，用以检测车辆周围的其他车辆或障碍物，但本发明可能的实施方式并不仅限于此。

首先，在步骤S710中，控制单元140可判断是否可取得GPS信号。若是，则控制单元140可在步骤S720中依据GPS信号判断雷达100是否位于特定路段上。在不同的实施例中，所述特定路段可以是高速公路、快速道路或是车流量较少的道路(例如州际公路)，但可不限于此。若控制单元140判断雷达100位于特定路段上，此即代表所述车辆与周围的其他交通工具或障碍物可能距离较远，因而可接续地在步骤S730中切换致能第二子阵列T2_1～T2_2以致能相位阵列天线130。如此一来，雷达100即可检测到较远的障碍物或其他交通工具。

然而，若控制单元140在步骤S720中判断雷达100未位于特定路段上，此即代表雷达100及所述车辆可能位于市区或其他车流量较密集的区域。因此，控制单元140可接续在步骤S740中切换致能第一子阵列T1_1～T1_2以致能MIMO阵列天线120。如此一来，雷达100即可以较高的角度分辨率来精确地检测周围的其他交通工具或障碍物。

另一方面，若控制单元140在步骤S710中判断无法取得GPS信号，此即代表控制单元140可能(暂时)无法依据雷达100及所述车辆所在的地点来决定欲切换致能的阵列天线。因此，在步骤S750中，控制单元140可判断雷达100的移动速度(即，所述车辆的移动速度)是否大于预设门限值。所述预设门限值例如是一般市区道路的道路速限(例如时速40公里)，但可不限于此。在此情况下，若雷达100的移动速度大于所述道路速限，此即代表雷达100可能位于车流量较不密集的高速公路、快速道路或是州际公路等，因此控制单元140可在步骤S730中切换致能第二子阵列T2_1～T2_2以致能相位阵列天线130。如此一来，雷达100即可检测到较远的障碍物或其他交通工具。

然而，若雷达100的移动速度不大于预设门限值，此即代表所述车辆可能位于车流量较为密集的市区道路，因此控制单元140可在步骤S740中切换致能第一子阵列T1_1～T1_2以致能MIMO阵列天线120。如此一来，雷达100即可以较高的角度分辨率来精确地检测周围的其他交通工具或障碍物。

在其他实施例中，控制单元140可定期或不定期地再次执行图7的方法，以适应性地依据GPS信号或是雷达100当下的移动速度来决定欲致能的阵列天线。另外，当控制单元140判断雷达100位于所述特定路段时，控制单元140还可进一步判断雷达100的移动速度是否大于另一预设门限值。此另一预设门限值例如是高速公路、快速道路或是州际公路上的平均车速，或是其他由设计者自行设定的速度(例如时速50公里)，但可不限于此。在此情况下，若控制单元140判断位于特定路段的雷达100或所述车辆正以不大于所述另一预设门限值的速度移动时，此即代表可能发生塞车的情况。此时，控制单元140亦可切换致能第一子阵列T1_1～T1_2以致能MIMO阵列天线120。如此一来，雷达100即可以较高的分辨率来精确地检测周围的其他交通工具或障碍物。

在另一实施例中，当控制单元140切换致能MIMO阵列天线120时，可同时禁用第二子阵列T2_1～T2_2以禁用相位阵列天线130。相反地，当控制单元140切换致能相位阵列天线130，可同时禁用第一子阵列T1_1～T1_2以禁用MIMO阵列天线120。

本领域的普通技术人员应可了解，虽然以上仅以图1的雷达100为例来说明图7的细节，但图7的方法同样可适用于图2所示的雷达200，或其他相同或相似的雷达。

请参照图8A，图8A是依据本发明的一实施例绘示的当雷达位于特定路段时检测其他交通工具的示意图。在本实施例中，雷达810例如可配置于图8A所示之处，亦即车辆800的右后侧车尾处。从图8A可看出，当车辆800位于例如是高速公路的特定路段上时，雷达810可切换致能其相位阵列天线(未绘示)以主波瓣较明显的场型815来检测距离较远的其他交通工具(例如是车辆820)。

请再参照图8B，图8B是依据图8A实施例绘示的当雷达不位于特定路段时检测其他交通工具的示意图。在本实施例中，当车辆800位于市区道路等非属特定路段的地点时，雷达810可切换致能其MIMO阵列天线(未绘示)以角度分辨率较高的场型815’来较为精确地检测距离较近的其他交通工具(例如是车辆830～860)。

综上所述，本发明实施例提出的雷达同时配置有MIMO阵列天线以及相位阵列天线，因而可同时具有这两种阵列天线的优点，进而改善了仅包括其中一种阵列天线的公知雷达的缺点。此外，通过适当的结构设计，本发明提出的雷达可更为有效地使用电路面积。另外，本发明提出的方法可依据是否可取得GPS信号和/或雷达的移动速度是否大于预设门限值来切换致能MIMO阵列天线或相位阵列天线，因而能够让雷达因应于各种不同的情境使用较为适合的阵列天线来进行检测。

虽然本发明已以实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当视所附的权利要求书的范围所界定者为准。

Claims (13)

1.一种雷达，该雷达包括：

一收发器；

一多发多收阵列天线，该多发多收阵列天线耦接该收发器，包括多个第一发射子阵列及多个接收子阵列；

一相位阵列天线，该相位阵列天线耦接该收发器，包括多个第二发射子阵列以及该些接收子阵列；以及

一控制单元，该控制单元耦接至该收发器，经配置以切换致能该些第一发射子阵列以致能该多发多收阵列天线，或切换致能该些第二发射子阵列以致能该相位阵列天线。

2.如权利要求1所述的雷达，其中该些第一发射子阵列及该些第二发射子阵列配置于该收发器的一第一侧，且该些接收子阵列配置于该收发器的一第二侧，其中该第一侧相对于该第二侧。

3.如权利要求2所述的雷达，其中该些第一发射子阵列及该些第二发射子阵列个别包括排列为直线的多个第一块状天线，且该些接收子阵列个别包括排列为直线的多个第二块状天线。

4.如权利要求3所述的雷达，其中该些第一发射子阵列及该些第二发射子阵列平行排列于一第一平面上，且各该第一发射子阵列及各该第二发射子阵列的相位中心彼此对齐，

其中，该些接收子阵列平行排列于一第二平面上，且各该接收子阵列的相位中心彼此对齐，

其中，该些第一发射子阵列中的两个相距一第一距离，且该些接收子阵列中相邻的两个接收子阵列相距一第二距离，其中，该第一距离为该第二距离的8倍。

5.如权利要求1所述的雷达，其中，该些第二发射子阵列配置于该些第一发射子阵列中的两个之间。

6.如权利要求5所述的雷达，其中该控制单元经配置以：

判断是否可取得一全球定位系统信号；

若是，依据该全球定位系统信号判断该雷达是否位于一特定路段上；

若是，切换致能该些第二发射子阵列以致能该相位阵列天线。

7.如权利要求6所述的雷达，其中若该雷达不位于该特定路段上，该控制单元切换致能该些第一发射子阵列以致能该多发多收阵列天线。

8.如权利要求6所述的雷达，其中若无法取得该全球定位系统信号，该控制单元经配置以：

判断该雷达的一移动速度是否大于一预设门限值；

若是，切换致能该些第二发射子阵列以致能该相位阵列天线。

9.如权利要求8所述的雷达，其中若该移动速度不大于该预设门限值，该控制单元切换致能该些第一发射子阵列以致能该多发多收阵列天线。

10.一种切换致能阵列天线的方法，该方法应用于一雷达，该雷达包括一多发多收阵列天线、一相位阵列天线以及一控制单元，所述方法包括：

判断是否可取得一全球定位系统信号；

若是，依据该全球定位系统信号判断该雷达是否位于一特定路段上；

若是，切换致能该些第二发射子阵列以致能该相位阵列天线。

11.如权利要求10所述的方法，其中若该雷达不位于该特定路段上，所述方法还包括：

切换致能该些第一发射子阵列以致能该多发多收阵列天线。

12.如权利要求10所述的方法，其中若无法取得该全球定位系统信号，所述方法还包括：

判断该雷达的一移动速度是否大于一预设门限值；

若是，切换致能该些第二发射子阵列以致能该相位阵列天线。

13.如权利要求12所述的方法，其中若该移动速度不大于该预设门限值，所述方法还包括：

切换致能该些第一发射子阵列以致能该多发多收阵列天线。