一种毫米波雷达天线阵列及毫米波雷达的制作方法

1.本技术涉及毫米波雷达领域，具体涉及一种毫米波雷达天线阵列及毫米波雷达。


背景技术：

2.随着汽车工业的发展，无论是厂家还是消费者开始对汽车行驶安全问题越来越重视。毫米波雷达作为智能安全驾驶领域最重要的传感器，近年受到越来越多的关注，同时对于毫米波雷达的性能也提出了更高的要求，如前向的自适应巡航(acc)和紧急自动(aeb)需要配备探测距离达到250米的毫米波雷达，在如此远的距离上，雷达的角度分辨率需要达到0.5度。现有汽车的毫米波雷达普遍为mimo天线阵列(multipleinputmultipleoutput，多输入多输出，简称为mimo)。
3.工作于76ghz～81ghz(简称77ghz)频段的毫米波雷达拥有较为理想的探测距离与角分辨率，尽管如此77ghz频段的毫米波雷达仍然存在着探测角度难以达到130
°
或更宽的困扰，究其原因在于信号接收时水平视场与竖直视场间的信号增益相接近而导致无法区分接收信号的归属，因此需要设计一款水平竖直抑制比大且探测角度大的毫米波雷达。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本技术的目的在于提供一种毫米波雷达天线阵列及毫米波雷达，以解决现有技术中存在的毫米波雷达探测角度较窄和水平竖直抑制比较小的问题。
5.本发明的目的在于提供一种毫米波雷达天线阵列，包括由a个发射天线组成的发射天线阵列，和由b个接收天线组成的接收天线阵列，其特征在于：接收天线阵列中至少一个接收天线与其余接收天线在竖直方向的高度差h满足：(n+1/4)d≤h≤(n+3/4)d；其中a和b为大于1的正整数，n为自然数，d为毫米波雷达工作频段真空波长的一半。
6.具体的，高度差h为(n+1/2)d,n为自然数，d为毫米波雷达工作频段真空波长的一半。
7.具体的，b的值为4，接收天线阵列包括4个接收天线，沿水平方向排布分别为第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和第四接收天线，第一接收天线、第三接收天线和第四接收天线在竖直方向高度一致，第二接收天线与第一接收天线在竖直方向高度差h为3d/2。
8.具体的，a的值为4，发射天线阵列包括4个发射天线，发射天线在竖直方向高度一致。
9.具体的，接收天线阵列中任意两个接收天线在水平方向的间距均为d的整数倍。
10.具体的，接收天线阵列中任意两个接收天线在水平方向的间距为等间距。
11.具体的，接收天线阵列中任意两个接收天线在水平方向的间距为非等间距。
12.具体的，发射天线阵列中任意两个发射天线在水平方向的间距均为d的整数倍。
13.具体的，发射天线阵列中任意两个发射天线在水平方向的间距为等间距。
14.具体的，发射天线阵列中任意两个发射天线在水平方向的间距为非等间距。
15.具体的，发射天线和接收天线包括在竖直方向分布且串联的八个矩形微带贴片。
16.根据本技术的毫米波雷达天线阵列，接收天线阵列中至少一个接收天线与其余接收天线在竖直方向的高度差h满足：(n+1/4)d≤h≤(n+3/4)d，可以使得竖直视场信号增益旁瓣的噪音落在不同相位，降低竖直视场信号增益的旁瓣能量，增大了毫米波雷达水平视场增益与竖直视场增益的差值，提高了毫米波雷达水平竖直抑制比，清楚的区分水平视场信号与竖直视场信号，达到增大毫米波雷达探测角度的目的。
17.本发明的目的还在于提供一种毫米波雷达，毫米波雷达包括上述实现方式中的毫米波雷达天线阵列。
附图说明
18.本技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1为本技术第一实施例的毫米波雷达天线阵列的结构示意图；
20.图2为本技术第二实施例的毫米波雷达天线阵列的结构示意图；
21.图3为本技术第三实施例的毫米波雷达天线阵列的结构示意图；
22.图4为本技术第四实施例的毫米波雷达天线阵列的结构示意图；
23.图5为本技术第四实施例的毫米波雷达天线阵列的等效虚拟天线示意图；
24.图6为本技术第四实施例的毫米波雷达天线阵列的方向图；
25.图7为本技术第五实施例的毫米波雷达天线阵列的结构示意图；
26.图8为本技术第五实施例的毫米波雷达天线阵列的等效虚拟天线示意图；
27.图9为本技术第五实施例的毫米波雷达天线阵列的方向图；
28.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本技术。
具体实施方式
29.为了更好地理解本技术，将参考附图对本技术的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本技术的实施例的描述，而非以任何方式限制本技术的范围。
30.需要说明的是，本技术实施例所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，“第一”、“第二”、“第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。可以理解地，“第一”、“第二”、“第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
32.现有毫米波雷达天线阵列存在着探测角度难以达到130
°
或更宽的困扰，通常增加天线阵列设计或者天线阵列的间距使得水平方向的视场角增大，但是该方案会导毫米波雷达角分辨率降低等问题。
33.本技术提供了一种毫米波雷达天线阵列，通过调整天线阵列竖直方向的布局，降低了探测角度范围内的竖直视场信号增益的旁瓣，增大了水平竖直抑制比，使得毫米波雷达天线阵列在不降低角分辨率的同时拥有更大的水平探测角度。同时通过调整天线阵列水平方向的布局，增加了水平方向虚拟天线数量，提高了水平视场信号增益以及角分辨率，使得毫米波雷达天线阵列拥有高的分辨率。
34.图1为本技术第一实施例提供的一种毫米波雷达天线阵列的结构示意图，该毫米波雷达天线阵列的天线采用串馈微带天线形式，为四发四收mimo天线阵列，包括发射天线阵列和接收天线阵列；发射天线阵列，沿水平方向从左到右以此为第一发射天线t1、第二发射天线t2、第三发射天线t3和第四发射天线t4；接收天线阵列，沿水平方向从左到右一次为第一接收天线r1、第二接收天线r2、第三接收天线r3和第四接收天线r4；为了便于表述，后文将第一发射天线、第二发射天线、第三发射天线和第四发射天线分别用t1、t2、t3和t4来替代，同理，接收天线阵列同样用标号替代，即天线阵列中天线用对应标号替代。
35.其中，r1至r4水平方向间距均相等且间距均为d，r1、r3和r4竖直方向高度一致，r2与r1在竖直方向高度差h为d/4，即r2与接收天线阵列其余接收天线存在高度差，d为毫米波雷达工作频段真空波长的一半。通过将接收天线天线阵列在水平方向设置为d，即接收天线在水平方向设置为等间距排布，能够增强接收天线的信号采集能力，提高了毫米波雷达水平视场信号增益以及角分辨率。r2在竖直方向存在高度差可以实现发射信号与接收信号在竖直方向产生相位差，可以有效提高毫米波雷达的俯仰角；进一步地，r2在竖直方向超出半波长的非整数倍，可以使得竖直视场信号增益旁瓣的噪音落在不同相位，降低竖直视场信号增益的旁瓣能量，从而提高毫米波雷达水平竖直抑制比的角度范围，以达到增大毫米波雷达探测角度的目的。
36.t1至t4水平方向间距均相等且间距均为d，t1至t4竖直方向高度一致。发射天线在水平方向设置为等间距排布，能够减小发射信号的重叠，提高了毫米波雷达水平视场信号增益以及角分辨率。
37.图2为本技术第二实施例提供的一种毫米波雷达天线阵列的结构示意图，该毫米波雷达天线阵列的天线采用串馈微带天线形式，为四发四收mimo天线阵列，包括发射天线阵列和接收天线阵列；发射天线阵列，沿水平方向从左到右以此为第一发射天线t1、第二发射天线t2、第三发射天线t3和第四发射天线t4；接收天线阵列，沿水平方向从左到右一次为第一接收天线r1、第二接收天线r2、第三接收天线r3和第四接收天线r4；
38.其中，r1至r4水平方向间距均相等且间距均为d，r1、r3和r4竖直方向高度一致，r2与r1在竖直方向高度差h为3d/4，即r2与接收天线阵列其余接收天线存在高度差，d为毫米波雷达工作频段真空波长的一半。通过将接收天线天线阵列在水平方向设置为d，即接收天线在水平方向设置为等间距排布，能够增强接收天线的信号采集能力，提高了毫米波雷达水平视场信号增益以及角分辨率。r2在竖直方向存在高度差可以实现发射信号与接收信号在竖直方向产生相位差，使得毫米波雷达的获得俯仰角信号；且高度差h为3d/4，有效提升毫米波雷达的俯仰角信号，提升毫米波雷达的探测精度。进一步地，r2在竖直方向超出半波长的非整数倍，可以使得竖直视场信号增益旁瓣的噪音落在不同相位，降低竖直视场信号增益的旁瓣能量，从而提高毫米波雷达水平竖直抑制比的角度范围，以达到增大毫米波雷达探测角度的目的。
39.t1至t4水平方向间距均相等且间距均为d，t1至t4竖直方向高度一致。发射天线在水平方向设置为等间距排布，能够减小发射信号的重叠，提高了毫米波雷达水平视场信号增益以及角分辨率。
40.图3为本技术第三实施例提供的一种毫米波雷达天线阵列的结构示意图，该毫米波雷达天线阵列的天线采用串馈微带天线形式，为四发四收mimo天线阵列，包括发射天线阵列和接收天线阵列；发射天线阵列，沿水平方向从左到右以此为第一发射天线t1、第二发射天线t2、第三发射天线t3和第四发射天线t4；接收天线阵列，沿水平方向从左到右一次为第一接收天线r1、第二接收天线r2、第三接收天线r3和第四接收天线r4；
41.其中，r1与r2水平方向间距为3d/2，r2与r3水平方向间距为2d，r3与r4水平方向间距为d，r1、r3和r4竖直方向高度一致，r2与r1在竖直方向高度差h为d/2，即r2与接收天线阵列其余接收天线存在高度差，d为毫米波雷达工作频段真空波长的一半。本实施例中，接收天线阵列中任意两个接收天线在水平方向的间距为非等间距，通过稀疏阵列的天线排布能够减少毫米波雷达虚拟接收阵列中的模拟接收天线之间的重叠数，从而增加虚拟接收阵列中的模拟接收天线个数，提高了毫米波雷达水平视场信号增益以及角分辨率。r2在竖直方向存在高度差可以实现发射信号与接收信号在竖直方向产生相位差，使得毫米波雷达的获得俯仰角信号；且高度差h为3d/4，有效提升毫米波雷达的俯仰角信号，提升毫米波雷达的探测精度。进一步地，r2在竖直方向超出半波长的非整数倍，可以使得竖直视场信号增益旁瓣的噪音落在不同相位，降低竖直视场信号增益的旁瓣能量，从而提高毫米波雷达水平竖直抑制比的角度范围，以达到增大毫米波雷达探测角度的目的。
42.t1至t4水平方向间距均相等且间距均为d，t1至t4竖直方向高度一致。发射天线在水平方向设置为等间距排布，能够减小发射信号的重叠，提高了毫米波雷达水平视场信号增益以及角分辨率。
43.图4为本技术第四实施例提供的一种毫米波雷达天线阵列的结构示意图，该毫米波雷达天线阵列的天线采用串馈微带天线形式，为四发五收mimo天线阵列，包括发射天线阵列和接收天线阵列；发射天线阵列，沿水平方向从左到右以此为第一发射天线t1、第二发射天线t2、第三发射天线t3和第四发射天线t4；接收天线阵列，沿水平方向从左到右一次为第一接收天线r1、第二接收天线r2、第三接收天线r3、第四接收天线r4和第五接收天线；
44.其中，r1至r5水平方向间距均相等且间距均为d，r1、r4和r5竖直方向高度一致，r2在竖直方向低于r1，且r2与r1在竖直方向高度差h为d/4，r3在竖直方向高于r1，且r3与r1在竖直方向高度差h为3d/2，即r2与r3在竖直方向高度差为7d/4，d为毫米波雷达工作频段真空波长的一半。本实施例通过设置五个接收天线，提升毫米波雷达的探测精度。在其它实施例中，为了提升毫米波雷达的探测精度，接收天线数量设置六个、七个或者更多。且通过将接收天线天线阵列在水平方向设置为d，即接收天线在水平方向设置为等间距排布，能够增强接收天线的信号采集能力，提高了毫米波雷达水平视场信号增益以及角分辨率。r2、r3与r1在竖直方向存在高度差且高度差不一样，使得毫米波雷达获得更多的俯仰角信号，同时提升提升毫米波雷达的探测精度。进一步地，r2和r3在竖直方向超出半波长的非整数倍，可以使得竖直视场信号增益旁瓣的噪音落在不同相位，降低竖直视场信号增益的旁瓣能量，从而提高毫米波雷达水平竖直抑制比的角度范围，以达到增大毫米波雷达探测角度的目的。
45.t1至t4水平方向间距均相等且间距均为d，t1至t4竖直方向高度一致。发射天线在水平方向设置为等间距排布，能够减小发射信号的重叠，提高了毫米波雷达水平视场信号增益以及角分辨率。
46.图5为本技术第四实施例提供的一种毫米波雷达天线阵列的等效虚拟天线示意图，该毫米波雷达天线阵列形成16个虚拟天线，包括：t1与r1形成的虚拟天线ant1，t1与r2形成的虚拟天线ant9，t1与r3形成的虚拟天线ant13，t1与r4形成的虚拟天线ant4，t1与r5形成的虚拟天线ant5，t2与r1形成的虚拟天线ant2，t2与r2形成的虚拟天线ant10，t2与r3形成的虚拟天线ant14，t2与r4形成的虚拟天线ant5，t2与r5形成的虚拟天线ant6，t3与r1形成的虚拟天线ant3，t3与r2形成的虚拟天线ant11，t3与r3形成的虚拟天线ant15，t3与r4形成的虚拟天线ant6，t3与r5形成的虚拟天线ant7，t4与r1形成的虚拟天线ant4，t4与r2形成的虚拟天线ant12，t4与r3形成的虚拟天线ant16，t4与r4形成的虚拟天线ant7，t4与r5形成的虚拟天线ant8。通过第四实施例发射天线和接收天线的设计，形成16个虚拟天线，提供了不同的发射接收模式，提高发射天线和接收天线的复用率。
47.图6为本技术第四实施例提供的一种毫米波雷达天线阵列的方向图，其中横坐标表示探测角度，单位：度；纵坐标表示信号增益，单位：db；线段a表示毫米波雷达天线阵列水平视场信号增益，线段b表示毫米波雷达天线阵列竖直视场信号增益。如线段b所述，中间线段部分信号增益值大于两边线段部分信号增益值，线段b中间线段部分称为主瓣，两边线段部分称为旁瓣，也可以称为副瓣。主瓣波形的峰值达到20db，且宽度集中在探测角度
±
15
°
范围内，说明主瓣的能量辐射集中程度较高，即主瓣的信号增益高，毫米波雷达具有良好的方向性；旁瓣的信号增益均低于-15db，且宽度集中在探测角度
±
15
°
范围外，说明旁瓣的能量辐射集中程度较低，即旁瓣的信号强度低。在旁瓣对应的探测角度范围内，如果信号接收时水平视场信号与竖直视场信号增益相接近，那么将会导致无法区分接收信号的归属，因此通常会另二者信号增益差值保持在12db及以上。如图6所示，即使在边缘视场处毫米波雷达的水平视场信号与竖直视场信号增益差值仍可以保持在12db以上，所以本技术的毫米雷达天线阵列具有水平竖直抑制比大的优点，即便是在边缘视场仍可以清楚的区分水平视场与竖直视场的信号，因此该毫米波雷达具有接近180
°
的水平视场角。
48.图7为本技术第五实施例提供的一种毫米波雷达天线阵列的结构示意图，该毫米波雷达天线阵列的天线采用串馈微带天线形式，为四发四收mimo天线阵列，包括发射天线阵列和接收天线阵列；发射天线阵列，从左到右以此为第一发射天线t1、第二发射天线t2、第三发射天线t3和第四发射天线t4；接收天线阵列，从左到右一次为第一接收天线r1、第二接收天线r2、第三接收天线r3和第四接收天线r4；
49.t1与t2水平间距为2d，t2与t3水平间距为3d，t3与t4水平间距为d；t1至t4在竖直方向高度一致；其中d为毫米波雷达工作频段真空波长的一半。本实施例中，发射天线阵列中任意两个发射天线在水平方向的间距为非等间距，通过稀疏阵列的天线排布能够减少毫米波雷达虚拟接收阵列中的模拟接收天线之间的重叠数，从而增加虚拟接收阵列中的模拟接收天线个数，提高了毫米波雷达水平视场信号增益以及角分辨率。
50.r1、r3和r4在竖直方向高度保持一致，r2与r1在竖直方向高度差h为3/2d。r2在竖直方向存在高度差可以实现发射信号与接收信号在竖直方向产生相位差，可以有效提高毫米波雷达的俯仰角；进一步地，r2在竖直方向超出半波长的非整数倍，可以使得竖直视场信
号增益旁瓣的噪音落在不同相位，降低竖直视场信号增益的旁瓣能量，从而提高毫米波雷达水平竖直抑制比的角度范围，以达到增大毫米波雷达探测角度的目的。
51.图8为本技术第五实施例提供的一种毫米波雷达天线阵列的等效虚拟天线示意图，该毫米波雷达天线阵列形成13个虚拟天线，包括：t1与r1形成的虚拟天线ant1，t1与r2形成的虚拟天线ant10，t1与r3形成的虚拟天线ant2，t1与r4形成的虚拟天线ant3，t2与r1形成的虚拟天线ant2，t2与r2形成的虚拟天线ant11，t2与r3形成的虚拟天线ant4，t2与r4形成的虚拟天线ant5，t3与r1形成的虚拟天线ant5，t3与r2形成的虚拟天线ant12，t3与r3形成的虚拟天线ant7，t3与r4形成的虚拟天线ant8，t4与r1形成的虚拟天线ant6，t4与r2形成的虚拟天线ant13，t4与r3形成的虚拟天线ant8，t4与r4形成的虚拟天线ant9。通过形成13个虚拟天线，提供了不同的发射接收模式，提高发射天线和接收天线的复用率。
52.图9为本技术第五实施例提供的一种毫米波雷达天线阵列的方向图，其中横坐标表示探测角度，单位：度；纵坐标表示信号增益，单位：db；线段a表示毫米波雷达天线阵列水平视场信号增益，线段b表示毫米波雷达天线阵列竖直视场信号增益。如线段b所述，中间线段部分信号增益值大于两边线段部分信号增益值，线段b中间线段部分称为主瓣，两边线段部分称为旁瓣，也可以称为副瓣。主瓣波形的峰值高达到20db，且宽度集中在探测角+15
°
和探测角—20
°
范围内，说明主瓣的能量辐射集中程度较高，即主瓣的信号增益高，毫米波雷达具有良好的方向性；旁瓣的信号增益均低于-15db，且宽度集中在探测角探测角+15
°
和探测角—20
°
范围外，说明旁瓣的能量辐射集中程度较低，即旁瓣的信号强度低。在旁瓣对应的探测角度范围内，如果信号接收时水平视场信号与竖直视场信号增益相接近，那么将会导致无法区分接收信号的归属，因此通常会另二者信号增益差值保持在12db及以上。如图9所示，即使在边缘视场处毫米波雷达的水平视场信号与竖直视场信号增益差值仍可以保持在12db以上，所以本技术的毫米雷达天线阵列具有水平竖直抑制比大的优点，即便是在边缘视场仍可以清楚的区分水平视场与竖直视场的信号，因此该毫米波雷达具有接近180
°
的水平视场角。
53.一些实施例中，发射天线和接收天线均采用竖直方向串联分布八个矩形微带贴片的天线；进一步的，可以通过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，形成低旁瓣阵列。
54.本发明公开了一种毫米波雷达，毫米波雷达包括如前述实施例的毫米波雷达天线阵列。
55.以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种毫米波雷达天线阵列，包括由a个发射天线组成的发射天线阵列，和由b个接收天线组成的接收天线阵列，其特征在于：所述接收天线阵列中至少一个接收天线与其余接收天线在竖直方向的高度差h满足：(n+1/4)d≤h≤(n+3/4)d；其中a和b为大于1的正整数，n为自然数，d为所述毫米波雷达工作频段真空波长的一半。2.根据权利要求1所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述高度差h为(n+1/2)d,n为自然数，d为所述毫米波雷达工作频段真空波长的一半。3.根据权利要求1所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，b的值为4，所述接收天线阵列包括4个接收天线，沿水平方向排布分别为第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和第四接收天线，所述第一接收天线、所述第三接收天线和所述第四接收天线在竖直方向高度一致，所述第二接收天线与所述第一接收天线在竖直方向高度差h为3d/2。4.根据权利要求3所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，a的值为4，所述发射天线阵列包括4个所述发射天线，所述发射天线在竖直方向高度一致。5.根据权利要求1所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述接收天线阵列中任意两个接收天线在水平方向的间距均为d的整数倍。6.根据权利要求5所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述接收天线阵列中任意两个接收天线在水平方向的间距为等间距。7.根据权利要求5所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述接收天线阵列中任意两个接收天线在水平方向的间距为非等间距。8.根据权利要求1所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述发射天线阵列中任意两个发射天线在水平方向的间距均为d的整数倍。9.根据权利要求8所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述发射天线阵列中任意两个发射天线在水平方向的间距为等间距。10.根据权利要求8所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述发射天线阵列中任意两个发射天线在水平方向的间距为非等间距。11.根据权利要求1所述的毫米波雷达天线阵列，其特征在于，所述发射天线和所述接收天线包括在竖直方向分布且串联的八个矩形微带贴片。12.一种毫米波雷达，其特征在于，包括权利要求1至11任一项所述的毫米波雷达天线阵列。

技术总结
本申请涉提供了一种毫米波雷达天线阵列及毫米波雷达，毫米波雷达天线阵列包括由a个发射天线组成的发射天线阵列，和由b个接收天线组成的接收天线阵列，接收天线阵列中至少一个接收天线与其余接收天线在竖直方向的高度差H满足：(n+1/4)d≤H≤(n+3/4)d；其中a和b为大于1的正整数，n为自然数，d为毫米波雷达工作频段真空波长的一半。通过接收天线设计可以使得竖直视场信号增益旁瓣的噪音落在不同相位，降低竖直视场信号增益的旁瓣能量，增大了毫米波雷达水平视场增益与竖直视场增益的差值，提高了毫米波雷达水平竖直抑制比，清楚的区分水平视场信号与竖直视场信号，达到增大毫米波雷达探测角度的目的。达探测角度的目的。达探测角度的目的。


技术研发人员：柯文河 李正红 唐建山
受保护的技术使用者：江西联创电子有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/22