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CN111656213A - 雷达和内置在雷达中的天线 - Google Patents

雷达和内置在雷达中的天线 Download PDF

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CN111656213A
CN111656213A CN201980004783.1A CN201980004783A CN111656213A CN 111656213 A CN111656213 A CN 111656213A CN 201980004783 A CN201980004783 A CN 201980004783A CN 111656213 A CN111656213 A CN 111656213A
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Abstract

雷达包括：发射机天线单元，其包括彼此之间以第一水平距离和第一垂直距离布置的多个发射机天线；接收机天线单元，其包括彼此之间以第二水平距离和第二垂直距离布置的多个接收机天线；收发器，其通过发射机天线单元发送传输信号并通过接收机天线单元接收从目标对象反射的返回信号；和处理单元，其通过处理接收到的返回信号来导出关于目标对象的信息。

Description

雷达和内置在雷达中的天线
技术领域
本公开涉及雷达和内置在雷达中的天线。
背景技术
通常，雷达需要具有高角度分辨率，以通过发送和接收电子波来检测或跟踪目标设备的距离、速度和角度。
常规雷达具有多个接收机天线排列在其中以增加角分辨率的结构。然而，具有这种阵列的雷达需要大尺寸的天线和许多连接到收发器的组件。因此，雷达的整体尺寸增加了。
现有技术文献1：(于2019年5月29日公开的)韩国专利公开号2019-0058072。
发明内容
本发明要解决的技术问题
鉴于前述内容，本公开提供了一种通过有效地布置多个发射机天线和多个接收机天线而在水平方向和垂直方向上具有提高的角分辨率以用于长距离和近场检测的雷达。本公开要解决的问题不限于上述问题。本公开可能还有其他问题要解决。
解决技术问题的技术手段
本公开的第一方面提供了一种雷达，包括：发射机天线单元，其包括彼此之间以第一水平距离和第一垂直距离布置的多个发射机天线；接收机天线单元，其包括彼此之间以第二水平距离和第二垂直距离布置的多个接收机天线；收发器，其通过所述发射机天线单元发送传输信号并通过所述接收机天线单元接收从目标对象反射的返回信号；和处理单元，其通过处理接收到的返回信号来导出关于所述目标对象的信息。
本公开的第二方面提供了一种内置在雷达中的天线，并且所述天线包括：发射机天线单元，其包括彼此之间以第一水平距离和第一垂直距离布置的多个发射机天线；以及接收机天线单元，其包括彼此之间以第二水平距离和第二垂直距离布置的多个接收机天线。
上述方面仅通过说明提供，并且不应被解释为限制本公开。除了上述实施例之外，可能还存在其他实施例，其在在附图和详细描述进行描述。
本发明的技术效果
根据本公开，可以通过有效地布置多个发射机天线和多个接收机天线来提高用于长距离和近场检测的水平和垂直方向上的角分辨率。
此外，根据本公开，多个发射机天线以水平距离和垂直距离布置以具有水平偏移和垂直偏移，并且因此，可以在水平和垂直方向上精确地检测关于对象的信息。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的雷达的框图。
图2示出了根据本公开实施例的包括在雷达中的天线的多个发射机天线和多个接收机天线的阵列的示例。
图3A至图3D示出了根据本公开的实施例的使用天线阵列检测水平信息的示例。
图4示出了根据本公开的实施例的通过应用非线性阵列内插(interpolation)形成的天线方向图。
图5示出了根据本公开的实施例的芯片的示例。
图6示出了根据本公开的实施例的雷达的信号波形。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细地描述实施例，使得本领域普通技术人员可以容易地实现本公开。然而，应注意，本公开不限于这些实施例，而是可以以各种其他方式来体现。在附图中，为了简化说明，省略了与描述无关的部分，并且在整个文档中，相同的附图标记表示相同的部分。
在整个文档中，术语“连接到”可以用来表示一个元件到另一元件的连接或耦合，并且包括一个元件“直接连接到”另一元件和一个元件经由另一元件“电连接”到另一元件。此外，在整个文档中，在本文档中使用的术语“包括(comprises)或包含(includes)”和/或“包括(comprising)或包含(including)”是指除了所描述的组件、步骤、操作和/或元件之外，不排除一个或多个其他组件、步骤、操作和/或元件的存在或添加，除非上下文另外指出。
在整个文档中，术语“单元”包括由硬件或软件实现的单元以及由二者实现的单元。一个单元可以由两个或更多个硬件来实现，并且两个或更多个单元可以由一件硬件来实现。
在本说明书中，被描述为由设备执行的一些操作或功能可以由连接到该设备的服务器来执行。同样，被描述为由服务器执行的一些操作或功能可以由连接至服务器的设备来执行。
在下文中，将参考随附的配置视图或处理流程图来详细说明本公开。
图1是根据本公开的实施例的雷达100的框图。参考图1，雷达100可以包括天线110、收发器120、处理单元130、虚拟接收机天线形成单元140和内插单元150。
图2示出了根据本公开实施例的包括在雷达中的天线的多个发射机天线和多个接收机天线的阵列的示例。
在下文中，将参考图1和图2描述本公开的实施例。
雷达100可以安装在车辆的特定位置，并且被配置为通过天线110发送传输信号，接收从车辆周围的目标对象反射并返回的接收信号，并检测目标对象存在或不存在、目标对象的位置、目标对象的方向或目标对象的大小。通过将雷达100获得的目标对象检测结果应用于提供用于避免与前方车辆发生碰撞的防撞功能、安全车道改变功能等的车辆系统，雷达100获得的目标对象检测结果可以用于精确地控制车辆系统。
天线110包括：发射机天线单元112，其包括彼此之间以第一水平距离和第一垂直距离布置的多个发射机天线；以及接收机天线单元114，其包括彼此之间以第二水平距离和第二垂直距离布置的多个接收机天线。
发射机天线单元112可以包括多个发射机天线，其发送传输信号以检测目标对象。更具体地，发射机天线单元112可以包括第一发射机天线组Tx1和第二发射机天线组Tx2，该第一发射机天线组Tx1和第二发射机天线组Tx2以第一水平距离和第一垂直距离布置在对角线方向上，该第一垂直距离是该第一水平距离的一倍或多倍。在另一个实施例中，多个发射机天线中的一些可以以非均匀线性阵列(NLA)布置。
多个发射机天线可以分别在水平方向以第一水平距离和在垂直方向上以第一垂直距离彼此间隔开，并且可以在水平方向和垂直方向上具有相位差。在这种情况下，多个发射机天线中的每个都可以通过相移执行水平方向和垂直方向上的传输信号的波束成形。本文中，可以通过经由在水平方向上彼此隔开第一水平距离并且在水平方向上具有相位差的多个发射机天线发送传输信号来执行水平方向上的传输信号的波束成形。另外，可以通过经由在垂直方向上彼此间隔开第一垂直距离并且在垂直方向上具有相位差的多个发射机天线发送传输信号来执行垂直方向上的传输信号的波束成形。此外，包括在第一发射机天线组Tx1和第二发射机天线组Tx2中的多个发射机天线可以彼此间隔开第一垂直距离以具有垂直偏移，该第一垂直距离是第一水平距离的一倍或多倍。在期望的实施例中，第一垂直距离可以是第一水平距离的两倍或更多倍。
图5示出了根据本公开的实施例的芯片的示例。
例如，参考图5，包括在第一发射机天线组Tx1和第二发射机天线组Tx2中的每个中并连接到多个芯片的多个发射机天线可以通过相移来补偿由水平方向上的第一水平距离引起的相位差和由垂直方向上的第一垂直距离引起的相位差，并且然后执行水平方向和垂直方向上的传输信号的波束成形。在这种情况下，如果将二进制相移同时施加到第一发射机天线组Tx1和第二发射机天线组Tx2，则可以同时实现多输入多输出(MIMO)。在CDMA模式的MIMO处理中，两个或多个发射机天线可以同时操作，并且在TDMA模式的MIMO处理中，发射机天线可以在各个时序下操作。
CDMA模式和TDMA模式都可以应用于本公开，并且可以通过将CDMA模式应用于一些发射机天线并且将TDMA模式应用于其他发射机天线来执行MIMO处理。
例如，当多个发射机天线发送传输信号并且多个接收机天线接收从目标对象反射的返回信号时，可以区分哪个发射机天线已经发送了与已经通过CDMA模式或TDMA模式MIMO处理接收到的返回信号相对应的传输信号。
在图5所示的实施例中，使用四个芯片来构造包括发射机天线和接收机天线的天线结构。例如，可以通过级联多个芯片来构造天线结构，以使得各个芯片中的接收机天线能够同时接收从目标对象反射的返回信号。
包括在第一发射机天线组Tx1和第二发射机天线组Tx2中的每个中的多个发射机天线可以按照1：1：4：4：3的比以第一水平距离和第一垂直距离(是第一水平距离的一倍或多倍)布置在对角线方向上。本文中，如果第一水平距离的参考距离是K，则第一水平距离可以至少包括K、3K和4K，并且如果第一垂直距离的参考距离是M，则第一垂直距离可以至少包括M、3M和4M。在期望的实施例中，M可以等于2K。例如，如果第一水平距离的参考距离是0.5λ，并且第一垂直距离的参考距离是1.0λ，则包括在第一发射机天线组Tx1和第二发射机天线组Tx2中的每个中的多个发射机天线中的M个发射机天线可以彼此之间以0.5λ的第一水平距离和1λ的第一垂直距离布置，N个发射机天线可以彼此之间以2λ的第一水平距离和4λ的第一垂直距离布置，并且另一个发射机天线可以以1.5λ的第一水平距离和3λ的第一垂直距离布置。
包括在第一发射机天线组Tx1和第二发射机天线组Tx2中的多个发射机天线可以具有发射机天线波束区域，从该发射机天线波束区域在不同的垂直和水平方向上发送传输信号。
再次参考图1和图2，接收机天线单元114可以包括多个接收机天线，该多个接收机天线接收已经从发射机天线单元112发送并且然后从目标对象反射并返回的信号。更具体地，接收机天线单元114可以包括以第二水平距离和第二垂直距离布置的第一接收机天线组Rx1和第二接收机天线组Rx2，第二垂直距离是第二水平距离的一倍或多倍。在期望的实施例中，第二垂直距离可以是第二水平距离的两倍或更多倍。在另一个实施例中，多个发射机天线中的一些可以以非均匀线性阵列(NULA)布置。
包括在第一接收机天线组Rx1和第二接收机天线组Rx2中的每个中的多个接收机天线可以按照1：3：2的比以第二水平距离和第二垂直距离(是第二水平距离的一倍或多倍)重复地布置在对角线方向上。本文中，如果第二水平距离的参考距离是K，则第二水平距离可以至少包括K、2K和3K，并且如果第二垂直距离的参考距离是M，则第二垂直距离可以至少包括M、2M和3M。在期望的实施例中，M可以等于2K。例如，如果第二水平距离的参考距离为0.5λ且第二垂直距离的参考距离为1.0λ，则包括在第一接收机天线组Rx1和第二接收机天线组Rx2中的每个中的第一接收机天线可以彼此之间以0.5λ的第一水平距离和1.0λ的第一垂直距离布置，第二接收机天线可以彼此之间以1.5λ的第一水平距离和3.0λ的第一垂直距离布置，第三接收机天线可以彼此之间以1.0λ的第一水平距离和2.0λ的第一垂直距离布置，第四接收机天线可以彼此之间以0.5λ的第一水平距离和1.0λ的第一垂直距离布置，第五接收机天线可以彼此之间以1.5λ的第一水平距离和3.0λ的第一垂直距离布置，第六接收机天线可以彼此之间以1.0λ的第一水平距离和2.0λ的第一垂直距离布置。
在本公开中，如上所述地形成天线阵列(按照1：1：4：4：3的距离比布置发射机天线，并且按照1：3：2的距离比重复布置接收机天线)。因此，当执行阵列内插时，不留间隔，并且对天线的性能有不利影响的栅瓣可以形成为远离主波束或主瓣。因此，可以提高水平检测分辨率或水平分辨率。此外，在本公开中，可以通过MIMO处理来形成虚拟接收机天线的平面阵列，并且因此，可以向垂直于径向的(水平/垂直)平面提供稳定的旁瓣电平和优异的角分辨率。
在本公开中，天线被布置为分别在水平方向和垂直方向上具有三个或更多个水平位置和垂直位置。因此，可以区分在距离和速度上彼此相同并且在方位角和仰角上彼此不同的两个或更多个目标对象。
收发器120可以通过发射机天线单元112发送传输信号，并通过接收机天线单元114接收从目标对象反射的返回信号。例如，收发器120可以通过如图6所示的第一传输方法(例如，快速线性调频FMCW)经由发射机天线单元112以预定的间隔快速发送传输信号，并且可以经由接收天线单元114接收从目标对象反射的返回信号。
处理单元130可以通过处理接收到的返回信号来导出关于目标对象的信息。例如，处理单元130可以从接收到的返回信号中获取诸如目标对象的高度的垂直信息以及诸如目标对象的宽度的水平信息。
当通过彼此之间以第一水平距离和第一垂直距离布置的多个发射机天线执行MIMO处理时，虚拟接收机天线形成单元140可以形成以第二水平距离和第二垂直距离布置在对角线方向上的多个虚拟接收机天线，以便分别与多个发射机天线平行。
图3A至图3D示出了根据本公开的实施例的使用天线阵列检测水平信息的示例。
在图3A中，红色点表示发射机天线，并且蓝色点表示接收机天线。另外，圆圈表示通过MIMO处理内插的天线阵列。
例如，一起参考图2、图3A和图3B，当包括在第一发射机天线组Tx1和第二发射机天线组Tx2中的每个中的多个发射机天线同时发送相同的传输信号时，被配置为接收基于传输信号从目标对象反射并返回的接收信号的接收机天线可以具有与在将它们在水平方向上以第二水平距离和在垂直方向上以第二垂直距离在空间上移位并接收相同的接收信号的情况下相同的效果。多个虚拟接收机天线可以形成在移位的位置。因此，基于包括多个接收机天线的第一接收机天线组Rx1和第二接收机天线组Rx2，在接收机端形成多个虚拟接收机天线。因此，可以确保扩大的孔径。因此，可以精确地长距离测量关于目标对象的水平和垂直信息，并且还可以提高水平和垂直信息的分辨率。例如，可以将方位角分辨率提高到1.1度，并且将仰角分辨率提高到2.2度。
本公开可以提供一种虚拟天线结构，以使栅瓣发生的位置远离主波束所在的中心，即，抑制栅瓣的发生。
图3D示出了使用六个收发器芯片(RFIC)布置在4D雷达中的天线。参考图3D，可以扩展4D雷达的每个收发器芯片中的天线阵列。六个收发器芯片中的每个可以具有基本单元，该基本单元包括具有NLA结构的六个发射机天线和具有均匀线性阵列(ULA)结构的八个接收机天线。从每个收发器芯片延伸的六个发射机天线可以按照1：1：4：4：3的比(即0.5λ：0.5λ：2λ：2λ：1.5λ)在垂直和水平方向上布置在基板上。
从每个收发器芯片延伸的八个接收机天线具有ULA结构，并且因此不具有旁瓣电平低的栅瓣。因此，可以提高安全性。
六个发射机天线可以分为三组，并以MIMO模式配置。本文中，红色点表示发射机天线，并且蓝色点表示接收机天线。另外，圆圈表示通过MIMO处理内插的天线阵列。
因此，在本公开中，可以提高针对与目标对象有关的水平和垂直信息的测量分辨率。例如，可以将方位角分辨率提高到1.1度，并且将仰角分辨率提高到2.2度。
再次参考图1和图2，当通过以第一水平距离和第一垂直距离布置的多个发射机天线执行MIMO处理时，虚拟接收机天线形成单元140可以形成多个虚拟接收机天线组，该多个虚拟接收机天线组被布置在与第一接收天线组Rx1和第二接收天线组Rx2相同的垂直和水平方向上。
在这种情况下，包括在形成于与第一接收机天线组Rx1和第二接收机天线组Rx2相同的垂直和水平方向上的多个虚拟接收机天线组中的多个虚拟接收机天线可以在第二水平距离处具有水平偏移，并且在第二垂直距离处具有垂直偏移。因此，在本公开中，可以使用在与第一接收机天线组Rx1和第二接收机天线组Rx2相同的垂直和水平方向上形成的虚拟接收机天线组之间的相位差并具有水平偏移和垂直偏移来估计目标对象的角度。
当通过多个发射机天线执行MIMO处理时，虚拟接收机天线形成单元140可以分别形成与多个发射机天线相对应的多个虚拟接收机天线，使得多个虚拟接收机天线的中心点形成二维平面。
虚拟接收机天线形成单元140可形成多个虚拟接收机天线，该多个虚拟接收机天线在天线方向图中具有在第二水平距离处的水平偏移和在第二垂直距离处的垂直偏移，通过将NLA内插应用于多个接收机天线，该天线方向图在Latex中以第二水平距离和第二垂直距离形成为三角形。
内插单元150可以通过将NULA内插应用于多个接收机天线和多个虚拟接收机天线，在对应于多个接收机天线和多个虚拟接收机天线的水平区域和垂直区域内，在Latex中形成以三角形形式布置的天线方向图(见图4)。当将NULA内插应用于多个接收机天线时，可以以有限数量的接收机信道获得最大辐射孔径。
由虚拟接收机天线形成单元140形成的多个虚拟接收机天线的二维合成波束方向图可以被表示为如图3C所示。
参考图3C，处理单元130可以根据多个发射机天线和多个接收机天线的布置，使用针对每个信道生成的导向矢量来生成角功率谱。导向矢量可以如等式1所示生成。
[等式1]
Figure GDA0002610163710000101
这里，xn和yn是二维天线位置，θ是方位角，并且Φ是仰角。
处理单元130可以基于所生成的角功率谱的峰值点30来检测目标对象的方位角和仰角。
本公开的实施例可以体现在包括计算机可执行的指令代码(诸如由计算机执行的程序模块)的存储介质中。计算机可读介质可以是计算机可以访问的任何可用介质，并且包括所有易失性/非易失性和可移动/不可移动介质。此外，计算机可读介质可以包括所有计算机存储介质。所述计算机存储介质包括通过某种用于存储诸如计算机可读指令代码、数据结构、程序模块或其他数据之类的信息的方法或技术实现的所有易失性/非易失性和可移动/不可移动介质。
提供本公开的以上描述是出于说明的目的，并且本领域普通技术人员将理解，可以在不改变本公开的技术概念和基本特征的情况下进行各种改变和修改。因此，很明显，上述示例在所有方面都是说明性的，并且不限制本公开。例如，描述为单一类型的每个组件可以以分布式方式实现。同样，可以组合方式实现描述为分布式的组件。
本公开的范围由所附权利要求而不是由实施例的详细描述来限定。应当理解，从权利要求书的含义和范围及其等同方案想到的所有修改和实施例都包括在本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种雷达，包括：
发射机天线单元，其包括彼此之间以第一水平距离和第一垂直距离布置的多个发射机天线；
接收机天线单元，其包括彼此之间以第二水平距离和第二垂直距离布置的多个接收机天线；
收发器，其通过所述发射机天线单元发送传输信号并通过所述接收机天线单元接收从目标对象反射的返回信号；和
处理单元，其通过处理接收到的返回信号来导出关于所述目标对象的信息。
2.根据权利要求1所述的雷达，其中，所述第一垂直距离是所述第一水平距离的一倍或多倍，并且
所述第二垂直距离是所述第二水平距离的一倍或多倍。
3.根据权利要求2所述的雷达，还包括：
虚拟接收机天线形成单元，当通过以所述第一水平距离和所述第一垂直距离布置的所述多个发射机天线执行多输入多输出处理(MIMO)时，所述虚拟接收机天线形成单元形成分别以所述第二水平距离和所述第二垂直距离布置并且对应于所述多个发射机天线的多个虚拟接收机天线。
4.根据权利要求3所述的雷达，其中，如果所述第一水平距离的参考距离为K，则所述第一水平距离至少包括K、3K和4K，并且
如果所述第一垂直距离的参考距离为M，则所述第一垂直距离至少包括M、3M和4M。
5.根据权利要求4所述的雷达，其中，如果所述第二水平距离的参考距离为K，则所述第二水平距离至少包括K、2K和3K，并且
如果所述第二垂直距离的参考距离为M，则所述第二垂直距离至少包括1M、2M和3M。
6.根据权利要求5所述的雷达，还包括：
内插单元，通过将非均匀线性阵列(NLA)内插应用于所述多个接收机天线和所述多个虚拟接收机天线，在对应于所述多个接收机天线和所述多个虚拟接收机天线的水平区域和垂直区域内，在Latex中形成以三角形形式布置的天线方向图。
7.根据权利要求6所述的雷达，其中，所述处理单元根据所述多个发射机天线和所述多个接收机天线的布置，使用针对每个信道生成的导向矢量来生成角功率谱，并且
所述处理单元基于生成的角功率谱的峰值点来检测所述目标对象的方位角和仰角。
8.一种内置在雷达中的天线，包括：
发射机天线单元，其包括彼此之间以第一水平距离和第一垂直距离布置的多个发射机天线；以及
接收机天线单元，其包括彼此之间以第二水平距离和第二垂直距离布置的多个接收机天线。
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