具有仰角检测的mimo天线的制作方法
具有仰角检测的mimo天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开公开了具有仰角检测的MIMO天线。本公开一般地涉及雷达系统的多输入多输出(MMO)天线，并且更特定地涉及将一个发射天线与另一个垂直偏移由此能够确定到目标的仰角。
【背景技术】
[0002]现今使用的许多地面车辆(例如汽车)雷达系统仅能够确定到目标或对象的距离和水平角或方位角。这种系统的发射天线和接收天线一般分别是辐射体和检测器元件或片的垂直阵列。然而，已经意识到期望确定到对象的垂直角或仰角，从而使得诸如悬伸的桥或者建筑物之类的高架对象不会被无意中确定为车辆行进路径中的对象。
[0003]由于汽车雷达系统对成本因素特别敏感，因此一般将发射天线和接收天线输入的数量保持到最小。发射和接收天线的数量影响雷达在方位和俯仰上的空间能力，并且也带动系统成本。即，更多的天线以增加成本的代价提供了更优的能力。增加仰角分辨率的现有的尝试增加了发射和/或接收天线的数量，这伴随着系统成本的增加。为了增加天线增益，接收天线可具有检测器元件的多个线列或阵列。并行阵列增大了子阵列的相位中心之间的间隔，这导致了对于不同方位角在接收天线敏感度方面的非理想的较大变化的栅瓣。减少栅瓣影响的一种方式是提供模拟波束形成器，该模拟波束形成器被设计成交叠子阵列从而有效降低子阵列的相位中心之间的间隔。然而，这一方法通常要求复杂的多层反馈结构，这导致不必要的高成本。
【发明内容】
[0004]根据一种实施方式，提供了雷达系统的多输入多输出(MMO)天线。所述天线包括接收天线、第一发射天线、和第二发射天线。所述接收天线被配置成检测由目标向接收天线反射的雷达信号。第一发射天线由辐射体元件的第一垂直阵列形成。第二发射天线由不同于第一垂直阵列的辐射体元件的第二垂直阵列形成。第二发射天线与第一发射天线垂直偏移达垂直偏移距离，该垂直偏移距离被选择使得能够确定到目标的仰角。
[0005]在另一实施方式中，提供了雷达系统的多输入多输出(MMO)天线。所述天线包括第一发射天线、第二发射天线、和接收天线。第一发射天线被配置成向目标发射第一雷达信号。第一发射天线由辐射体元件的第一垂直阵列形成。第二发射天线被配置成向目标发射第二雷达信号。第二发射天线由不同于第一垂直阵列的辐射体元件的第二垂直阵列形成。所述接收天线被配置成检测由目标向接收天线反射的雷达信号。所述接收天线由检测器元件的多个成对的垂直阵列形成。
[0006]进一步的特征和优点在阅读以下优选实施方式的详细描述时将更清楚地显现，优选实施方式以仅非限制示例和参考附图方式给出。
【附图说明】
[0007]现在将参考附图以示例方式描述本发明，其中:
[0008]图1A为根据一个实施方式的雷达系统的多输入多输出(MMO)天线；
[0009]图1B为源自图1A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0010]图2A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；
[0011]图2B源自图2A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0012]图3A为根据一个实施方式的图1A的MMO天线的性能特性图；
[0013]图3B为根据一个实施方式的图4A的MMO天线的性能特性图；
[0014]图4A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；
[0015]图4B为源自图4A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0016]图5A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；
[0017]图5B为源自图5A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0018]图6A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；
[0019]图6B为源自图6A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0020]图7A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；以及
[0021]图7B为源自图7A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线。
【具体实施方式】
[0022]通常，多输入多输出(MIMO)天线架构为电扫描提供了改善的空间覆盖率和分辨率。MIMO操作通常要求多个发射和多个接收天线以及多个发射机和接收机。然而，此处展示的教导也适用于更简单的接收天线配置，例如包括单个元件的单个接收天线。此处描述了 MIMO天线的各种配置，其中发射和接收天线的数量依赖于在方位(水平)和俯仰(垂直)维度两者要求的空间覆盖率和分辨率。发射机和接收机的数量可以等于发射和接收天线的数量，或者可以在各个发射和/或接收机天线之间分时操作更少数量的发射机和接收机。然而，为了最佳性能，使用并行发射和接收信道，每个天线一个信道，而不是分时操作。
[0023]发射和接收天线的数量影响雷达在方位和俯仰上的空间能力，并且也影响系统成本。通常，更多的天线以增加的成本为代价提供更好的能力。如将更详细描述的，提供合适的方位分辨率的天线或系统可以以直接(straightforward)方式重新配置以增加仰角分辨率。即，当与仅提供方位(或仰角分辨率)的配置相比，此处描述的MMO天线的一些配置在不增加发射或接收天线数量的情况下同时方位和仰角分辨率两者，并且还提供了合适的栅瓣特性。换言之，从提供足够的方位分辨率的配置开始，此处描述的改善在不增加发射(TX)天线或接收(RX)天线数量的情况下增加了仰角分辨率。
[0024]此处描述的一些MMO配置的另一方面包括在水平维度上间隔多个TX和RX天线，这同时提供了较高增益的天线，具有半波长间隔的虚拟合成阵列以避免栅瓣。相比较小、较低增益的天线，较大、较高增益的天线提供更好的检测范围和较高的空间分辨率。为了避免栅瓣，形成TX和RX天线的垂直阵列通常被要求间隔半波长。由此，具有MMO或常规数字波束成形架构的较大天线要求为半波长间隔附加的TX和/或RX信道(较高成本)以避免栅瓣。
[0025]此处描述的一些MMO配置的另一方面包括将TX和RX天线两者的尺寸加倍的MIMO天线配置，具有50%交叠子阵列的虚拟阵列且没有分开的模拟反馈结构。TX和RX天线尺寸的增加改善了检测范围和空间分辨率。在使用的特定配置中，50%交叠子阵列获得垂直阵列的半波长间隔以形成虚拟接收天线，这些一起消除了栅瓣。
[0026]图7A和7B描述了 MMO天线710和示出与第一发射天线722和第二发射天线724协作的接收天线720的等效性能的虚拟接收天线712的非限制示例。即，形成接收天线720、第一发射天线722、和第二发射天线724的六个垂直阵列可提供与仅使用单个接收天线(未示出)时的虚拟接收天线712相同的增益和方位检测特性。应当理解的是，MIMO天线710要求两个发射机和四个接收机来操作(假设发射机和接收机未被复用或者以其他方式分时操作)从而提供与连接到虚拟接收天线712的一个发射机和八个接收机相同的性能。
[0027]由于四个接收阵列(RX1，RX2，RX3，RX4)每个均为单个元件阵列(即，具有单线阵(string)的检测器元件)，四个接收天线可以被物理间隔开半波长(λ/2)。通过将第一发射天线722与第二发射天线724间隔开两个波长(4 λ /2)，虚拟接收天线具有如所示具有一个半波长间隔的八个单元件阵列。由此，所得虚拟接收天线712有效地是接收天线720的两倍宽度，由此两倍地改善了接收天线720的有效空间分辨率。
[0028]需要注意的是，MMO天线710可用于经由数字波束成形确定多个目标的水平或方位角度，但是MMO天线710通常对于测量目标的垂直或仰角没有用处。增加仰角测量能力的一种方式是在垂直维度上分离TX或RX天线以使TX或RX天线和其各自的发射或接收通道的数量加倍(即4-TX/4-RX配置或者2-TX/8-RX配置)。
[0029]继续参考图7作为示例，雷达检测范围可受限于各天线的增益。增加天线的高度是增加天线增益的一种选项，但是高度通常受限于包装尺寸约束和/或需要的仰角覆盖。可以通过添加附加并行虚拟阵列而在宽度上增加TX天线以改善检测范围，但是宽度可受限于需要的方位覆盖。类似地增加RX天线宽度增大了增益，但是也将其间隔增加到大于半波长，这导致了在数字波束成形中非理想的栅瓣。另一选项是增加RX和/或RX天线的数量,这由此增加了成本。
[0030]通过示例并非限制，为76.5*10~9的雷达赫兹(76.5GHz)而选择此处描述的各种MMO天线的特征的尺寸或大小。本领域技术人员将会意识到特征可以被调整比例或以其他方式改变以使得天线110适应用于在不同雷达频率的操作。垂直阵列还已知为微带天线或微带辐射体，并且可以被布置在基底(未示出)上。每个垂直阵列可以是线列或线性阵列元件或者贴片，其由半盎司铜箔在380微米(μπι)厚基底上形成，诸如来自康涅狄格的罗杰的罗杰公司(Rogers Corporat1n ofRogers)的R05880基底。垂直阵列的合适的整体长度是四十八毫米(48mm)。元件或贴片具有1394 μπι宽度和1284 μπι高度。贴片倾斜度可以为雷达信号的一个引导波长，例如2560 μ m,且互联每个贴片的微带可以为503 μ m宽。优选地，元件或贴片被布置在基底的表面上，并且诸如反馈网络之类的其它特征被布置在基地的内层或 背面。应当意识到，此处描述的各种MMO天线通常被配置成以正交于展示的MMO天线的视图的方向来发射和检测雷达信号。即，每个MMO天线的孔位(bore-site)通常正交于展示的视图，即正交于页面。
[0031]图1A和IB描述了建立了所示虚拟接收天线112的雷达系统(未示出)的多输入多输出(MMO)天线110的非限制性示例。MMO天线110包括被配置成检测由目标(未示出)向接收天线反射的雷达信号(未示出)的接收天线120。MMO天线110还包括由辐射体元件136的第一垂直阵列132形成的第一发射天线122 ;以及由不同于(即独立于)第一垂直阵列132的辐射体元件138的第二垂直阵列134形成的第二发射天线124。与图7示出的示例相比，第二发射天线124与第一发射天线122垂直偏移达垂直偏移距离126。所述垂直偏移距离126被选择使得能够确定到目标的仰角。通过示例并非限制，合适的垂直偏移距离126是半波长，例如在76.5GHz为1.96mm。更重要地，第一发射天线122的第一发射相位中心142与第二发射天线124的第二发射相位中心144垂直偏移。如此处使用，如果天线被用于发射雷达信号，天线或阵列的相位中心通常位于辐射的能量分布图的中心。第一发射天线122和第二发射天线124被示出为相同配置仅是为了便于此处进行解释。在这一非限制性示例中，发射天线在各个发射天线的中间点处被反馈一信号，且所以发射天线的相位中心也在中间点。然而，本领域技术人员应当理解，这并不是必须的。也就是说，天线的反馈可以在非中间点处，和/或辐射元件的倾斜度可以被改变，由此使得天线的相位中心位于非中间点的位置处。
[0032]当使用MMO天线710 (图7)时，第二发射天线124与第一发射天线122水平偏移达水平偏移距离128，该水平偏移距离128被选择使得虚拟接收天线112按图所示被建立，由此使得接收天线120的有效宽度加倍，但是将形成虚拟接收天线112的垂直阵列的间隔保持在半波长(λ /2)。
[0033]垂直偏移距离126被选择使得第二发射天线124与和第一发射天线122相交的水平线130相交。通过不同解释的方式，如果第二发射天线124被移动到左边与第一发射天线122共线，则第二发射天线124将垂直交叠第一发射天线。如果垂直偏移距离126太小，精度测量结果会呈现较差的准确度。如果垂直偏移距离126太大，精度测量结果会具有模糊。垂直交叠自身不是必须的；其仅是TX天线的垂直尺寸相比于垂直偏移的结果。例如，示出的TX天线大约12个波长高，而代表性的垂直偏移将为半波长到一个波长。在其它情况中，TX天线可各自为单个贴片，并且然后垂直偏移不会导致任何垂直交叠。
[0034]类似于此处描述的各种MIMO天线，接收天线112 (和此处描述的其它接收天线)包括检测器元件152的一个或多个垂直阵列150。第一发射天线122、第二发射天线124、和接收天线协作以建立如箭头154所示的虚拟接收天线122。虚拟接收天线代表与由其建立的MMO天线具有相同性能即等效于由其建立的MMO天线的接收天线。也就是说，从单个发射天线(未示出)接收发射的雷达信号的虚拟接收天线112与MMO天线110具有相同或等效性能特性。
[0035]通过注释(note)第一发射天线122和接收天线120协作以建立第一组相位中心156，可进一步配置虚拟。类似地，第二发射天线124和接收天线120协作以建立第二组相位中心158。应当理解的是这些相位中心组是虚拟接收天线112的虚拟相位中心。作为第二发射天线124相对于第一发射天线122垂直偏移的结果，第二组相位中心158与第一组相位中心156垂直偏移。由此，通过如所示将第二发射天线124相对于第一发射天线122在垂直方向上偏移或移位而增加仰角测量能力。通过关系ΛΦ = 231 (d/λ) sin<K虚拟相位中心之间的相位偏移与目标相对于MMO天线的孔位的仰角相关，其中目标仰角Φ可由相位偏移Λ Φ确定。
[0036]由于接收天线120由检测器元件152的单个线列形成，垂直阵列150的间隔可以为半波长。由此，如果第二发射天线124与第一发射天线122水平偏移一段水平偏移距离128，该水平偏移距离128被选择使得第二组相位中心158和第一组相位中线156之间的间隙为半波长，则可实现具有最小栅瓣效应的可接受的方位性能。对于示出的示例，发射天线之间适当的间隔为两个波长。换言之，如果虚拟接收天线的所有独立相位中心之间的水平间隔为半波长，则可避免栅瓣。然而，在图1B中，例如，如果在不补偿由于目标仰角的相位偏移变化量phi(A Φ)的情况下一起处理虚拟阵列的两个等分，则“部分”栅瓣可在由垂直偏移距离126确定的水平上出现。注意MMO天线110 (和此处描述的其它MMO天线)具有两个发射机输入和四个接收机输入总共六个输入，其必须由雷达系统供应以提供与具有一个发射机输入和八个接收机输入总共九个输入(其将需要被供应以提供所示MIMO天线的等效性能)的天线的等效性能。
[0037]图2A和2B描述了建立所示虚拟接收天线212的MMO天线210天线的另一非限制性示例。在这一非限制性示例中，第一发射天线222由辐射体元件236的第一对垂直阵列232形成，第二发射天线224由辐射体元件238的第二对垂直阵列234形成。类似地，接收天线220由检测器元件252形成的一对或多对垂直阵列250形成。成对的垂直阵列优于图1A中示出的单个元件阵列，这是因为成对的垂直阵列具有更大的天线增益。然而，由于附加宽度，接收天线220的相位中心246被间隔开一个波长(λ )而不是像对于图1中示出的MMO天线110的情况优选的半波长(λ /2)。典型地，一个波长间隔将导致非理想的栅瓣特性。
[0038]为了改善栅瓣特性，垂直偏移距离228被选择使得第二组相位中心258与和第一组相位中心256相交的垂直线260相交。换一种描述，如果垂直偏移距离226(d)为零,贝U第二组相位中心258将水平交叠第一组相位中心256。水平偏移距离228可以被进一步选择使得第一组相位中心256与第二组相位中心258交错。特定地，交错可使得第一组相位中心256中的至少一些与第二组相位中心258协作，以使得虚拟接收天线212的一些(优选地大多数)相位中心被水平间隔开半波长U/2)从而改善MIMO天线210的栅瓣特性。对于示出的示例，发射天线之间的合适间隔是3.5个波长。在这一情况中，大多数相位中心在水平方向被间隔半波长，而在虚拟阵列的另一侧上的最后相位中心的间隔被间隔一个波长。这将导致“部分”栅瓣，但是即使是这一效应可通过内插技术减弱。
[0039]一旦确定了目标仰角，则可以在方位上进行数字波束成形之前校正由目标仰角引起的相位偏移变化量phi ( △ Φ)(例如在图3A和3B中描述)，以便消除或最小化对于类似于图1和图4中的那些配置的栅瓣，其中水平间隔对于所有相位中心而言是半波长。参考图2，所得虚拟接收天线212的相位中心(256，258)被布置成形成三角波模式。相位中心的垂直偏移提供了使用相位比较方法来测量目标仰角的能力。被垂直对齐的相位中心的水平间隔等于一个波长，其一般在后续方位波束成形中导致栅瓣。这一三角间隔提供了一定程度的栅瓣抑制，这是由于当投影到水平维度时，相位中心间隔等于半波长。本质上，利用三角间隔，依赖于TX天线(222，224)的垂直偏移距离226，栅瓣被转移离开主平面并且在幅度上被减少一些量。在不需要对目标仰角引入的相位偏移进行任何校正的情况下，提供栅瓣抑制的这一方面(通过转移离开主平面和在幅度上降低)。如果相位偏移变化量Phi ( Λ Φ)被校正，栅瓣被抑制。然而，实践中，存在将限制抑制的问题。首先，校正通常仅对于多普勒面元(bin)范围内的单个目标有效。然而，所描述的用于从相位偏移变化量phi估算仰角(elevat1n)的技术通常也仅对于多普勒面元范围中的单个目标有效。
[0040]图3A为形成虚拟接收天线112的每个相位中心的相对相位图300，其中给定多普勒面元范围中的单个目标，示出虚拟接收天线112的每个垂直阵列的相对相位。线性相位递增的斜率与目标方位相关。通过关系ΔΦ =231 (d/X)sin<K虚拟相位中心之间的相位偏移与目标相对于MIMO天线的孔位的仰角相关，其中目标仰角Φ可以由相位偏移ΛΦ确定。如以上讨论，一旦确定了目标仰角，可以在方位上的数字波束成形之前校正相位偏移Λ Φ，从而一起消除栅瓣。
[0041]图3Β为形成虚拟接收天线412 (图4Β)的每个相位中心的相对相位图400，其中给定多普勒面元范围内的单个目标，示出虚拟接收天线412的每个垂直阵列的相对相位。如之前描述，线性相位递增的斜率与目标方位相关。通过关系ΛΦ =2π (dM)sincK虚拟相位中心之间的相位偏移与目标相对于MMO天线的孔位的仰角相关，其中目标仰角Φ可以由相位偏移Λ Φ确定。一旦目标仰角被确定，可以在方位上的数字波束成形之前校正相位偏移以便一起消除栅瓣。从每个天线接收的信号可表征为指示幅度和相位的复数。为了估算目标仰角，相位偏移变化量Phi (△ Φ)被计算，见图3Β。从复值信号计算相位偏移对于本领域技术人员是清楚的。一旦已知这一相位偏移，通过求解上述方程来计算目标仰角。随后，从来自虚拟阵列一半元件(例如来自图4Β的每隔 一个天线)的复值信号中减去这一相位偏移，由此图3Β中的对应相位被移位以便所有相位中心的相位位于沿着相同线。随后，在没有任何栅瓣的情况下，数字波束成形将在目标方位角处形成峰值。
[0042]估算目标仰角的另一技术是使用不同目标仰角的相位偏移校正来执行方位上的数字波束成形。最小化栅瓣水平的相位偏移确定目标的仰角。与第一种技术不同，该第二种技术对于在同一多普勒面兀范围内不同方位和仰角处的多个目标有效。
[0043]图4Α和4Β描述了建立所描述的虚拟接收天线412的MMO天线410天线的另一非限制性示例。在这一非限制性示例中，第一发射天线422由单个垂直阵列形成，并且第二发射天线424由单个垂直阵列形成。由此，发射天线与图1A中示出的相当。类似于图2Α，接收天线420由一对或多对垂直阵列形成。成对的垂直阵列相对于图1A中示出的单个元件阵列是有利的，这是因为成对的垂直阵列具有更大的天线增益。然而，由于附加宽度，接收天线420的相位中心446被间隔开一个波长(λ)而不是像对于图1中示出的MMO天线110的情况下优选的半波长(λ /2)。虚拟接收天线412的第一组相位中心456和第二组相位中心458按所示被布置。
[0044]典型地，一个波长间隔将导致非理想栅瓣特性。然而，由于发射天线具有半波长(λ/2)的水平偏移距离428，相位中心图案412与具有半波长(λ/2)水平间隔的所有虚拟接收天线阵列完全交错。发射天线的垂直偏移距离426涉及如先前讨论的在仰角测量准确度和模糊度上的折衷。为了避免在估算目标仰角时的模糊，垂直偏移距离可以被选择为半波长(λ /2)。
[0045]至此所描述的MMO天线已经被配置成通过垂直偏移发射天线来提供仰角检测。然而，如果不需要仰角检测，则当垂直偏移距离被设置成零时，仍然可以使用为改进的栅瓣特性所提供的特征。
[0046]图5Α和5Β描述了建立所描述的虚拟接收天线512的MMO天线510天线的另一非限制性示例。MMO天线510包括被配置成向目标(未示出)发射第一雷达信号(未示出)的第一发射天线522。在这一示例中的第一发射天线由辐射体元件的第一垂直阵列形成，其为辐射体元件的单个线列或单个垂直阵列。MIMO天线还包括被配置成向目标发射第二雷达信号(未示出)的第二发射天线524。类似地，第二发射天线由辐射体元件的第二垂直阵列形成，其为单个线列且不同于第一垂直阵列。
[0047]MMO天线510还包括被配置成检测由目标向接收天线520反射的雷达信号的接收天线520。在这一示例中，类似于图2A中的接收天线220，接收天线520由检测器元件的多个成对的垂直阵列形成。成对的垂直阵列相对于图1A中示出的单个元件阵列更有利，这是因为成对的垂直阵列具有更大的天线增益。然而，由于附加宽度，接收天线520的相位中心446被间隔开一个波长(λ)而不是像对于图1中示出的MMO天线110的情况优选的半波长(λ /2)。虚拟接收天线512的第一组相位中心556和第二组相位中心558按所示被布置。
[0048]典型地，一个波长间隔将导致非理想栅瓣特性。然而，由于发射天线具有半波长(λ/2)的水平偏移距离528，相位中心图案512与具有半波长(λ/2)水平间隔的所有虚拟接收天线阵列完全交错。
[0049]图6Α和6Β描述了建立所描述的虚拟接收天线612的MMO天线610天线的另一非限制性示例。在这一非限制性示例中，第一发射天线622由辐射体元件的第一对垂直阵列形成，并且第二发射天线624由辐射体元件的第二对垂直阵列形成。使得发射天线由成对的垂直阵列形成是有益的，这是因为由发射信号发射的雷达信号沿着天线的孔位更加聚焦。然而，由于附加宽度，相对于先前的示例，水平偏移距离628被增加，所以发射天线被间隔开大于半波长(λ/2)。由此相比于图5Β，虚拟接收天线612的一些交错丢失。
[0050]类似于先前示例，第一发射天线622和接收天线620协作以建立第一组相位中心658。类似地，第二发射天线624和接收天线620协作以建立不同于第一组相位中心656的第二组相位中心658。由于第二发射天线624与第一发射天线622水平偏移，则第一组相位中心656与第二组相位中心658水平偏移。由于形成接收天线620的成对垂直阵列被间隔开多于半波长(λ /2)，水平偏移距离628可以被有利地选择使得第一组相位中心656与和第二组相位中心658相交的垂直线660相交。换言之，水平偏移距离628可以被有利地选择使得第一组相位中心656与第二组相位中心658水平地交叠。
[0051]水平偏移距离628还可以被有利地选择使得第一组相位中心656与第二组相位中心658交错，这与使得第一组相位中心与来自另一组的相位中心重合的情况相反。通常，由发射天线发射的雷达信号可由波长表征。优选地，形成接收天线620的多个成对垂直阵列中的每一者被水平间隔开一个波长，且水平偏移距离628被选择使得虚拟接收天线612的相位中心中的至少一些被水平间隔开半波长。
[0052]由此，提供了多种MIMO天线。一些配置提供通过将成对发射天线相对于彼此垂直偏移来检测到目标仰角。通过排列发射天线来建立虚拟接收天线提供通常由被物理间隔开半波长的窄天线(即单线列阵列)所具有的优选栅瓣特性，一些配置提供改进的栅瓣特性，同时相对宽天线(即成对垂直阵列)被用于改进增益。这些特征可以被组合由此提供享受由成对垂直阵列提供的增加增益还具有与间隔开半波长的单个线列的那些接收天线相当的栅瓣特性的MMO天线。如以上提及的，这相比于交叠子阵列以使用复杂多层反馈网络获取半波长间隔的现有技术的尝试而言是有益的。
[0053]尽管本发明根据其优选实施方式进行了描述，但是其不意在限制于此，而是仅限于在所附权利要求中提出的范围。
【主权项】
1.一种雷达系统的多输入多输出(MMO)天线(110，210，410)，所述天线包括: 接收天线(120，220，420)，被配置成检测由目标向该所述接收天线反射的雷达信号； 第一发射天线(122，222，422)，由辐射体元件(136，236)的第一垂直阵列(132，232)形成；以及 第二发射天线(124，224，424)，由不同于第一垂直阵列的辐射体元件(138，238)的第二垂直阵列(134，234)形成，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线垂直偏移达垂直偏移距离(126，226，426)，该垂直偏移距离(126，226，426)被选择为使得能够确定到目标的仰角。2.根据权利要求1所述的MIMO天线，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线水平偏移。3.根据权利要求2所述的MIMO天线，其中所述垂直偏移距离使得第二发射天线与和与所述第一发射天线相交的的水平线(130)相交。4.根据权利要求1所述的MIMO天线，其中所述接收天线包括检测器元件(152，252)的一个或多个垂直阵列(150，250)，其中所述第一发射天线和所述接收天线协作以建立第一组相位中心(156，256，456)，且所述第二发射天线和所述接收天线协作以建立与所述第一组相位中心垂直偏移的第二组相位中心(158，258，458)。5.根据权利要求4所述的MIMO天线，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线水平偏移，藉此所述第一组相位中心与所述第二组相位中心水平偏移。6.根据权利要求5所述的MIMO天线，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线水平偏移达水平偏移距离(128，228，428)，该水平偏移距离(128，228，428)被选择使得所述第二组相位中心与和第一组相位中心相交的任何垂直线都不相交。7.根据权利要求5所述的MIMO天线，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线水平偏移达水平偏移距离(128，228，428)，该水平偏移距离(128，228，428)被选择使得所述第二组相位中心与和所述第一组相位中心相交的垂直线(160，260)相交。8.根据权利要求7所述的MIMO天线，其中所述水平偏移距离被选择以使得所述第一组相位中心与所述第二组相位中心交错。
【专利摘要】本申请公开了一种具有仰角检测的MIMO天线。一种雷达系统的多输入多输出(MIMO)天线(110，210，410)，包括接收天线(120，220，420)、第一发射天线(122，222，422)、和第二发射天线(124，224，424)。该接收天线被配置成检测由目标向该接收天线反射的雷达信号。该第一发射天线由辐射体元件(136，236)的第一垂直阵列(132，232)形成。该第二发射天线由不同于第一垂直阵列的辐射体元件(138，238)的第二垂直阵列(134，234)形成。该第二发射天线与该第一发射天线垂直偏移达垂直偏移距离(126，226，426)，该垂直偏移距离(126，226，426)被选择使得能够确定到目标的仰角。
【IPC分类】H01Q21/00, G01S3/14
【公开号】CN104901021
【申请号】CN201410858408
【发明人】S·W·阿兰德
【申请人】德尔福技术有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年12月31日
【公告号】EP2916144A1, US20150253420
【技术领域】
[0001]本公开公开了具有仰角检测的MIMO天线。本公开一般地涉及雷达系统的多输入多输出(MMO)天线，并且更特定地涉及将一个发射天线与另一个垂直偏移由此能够确定到目标的仰角。
【背景技术】
[0002]现今使用的许多地面车辆(例如汽车)雷达系统仅能够确定到目标或对象的距离和水平角或方位角。这种系统的发射天线和接收天线一般分别是辐射体和检测器元件或片的垂直阵列。然而，已经意识到期望确定到对象的垂直角或仰角，从而使得诸如悬伸的桥或者建筑物之类的高架对象不会被无意中确定为车辆行进路径中的对象。
[0003]由于汽车雷达系统对成本因素特别敏感，因此一般将发射天线和接收天线输入的数量保持到最小。发射和接收天线的数量影响雷达在方位和俯仰上的空间能力，并且也带动系统成本。即，更多的天线以增加成本的代价提供了更优的能力。增加仰角分辨率的现有的尝试增加了发射和/或接收天线的数量，这伴随着系统成本的增加。为了增加天线增益，接收天线可具有检测器元件的多个线列或阵列。并行阵列增大了子阵列的相位中心之间的间隔，这导致了对于不同方位角在接收天线敏感度方面的非理想的较大变化的栅瓣。减少栅瓣影响的一种方式是提供模拟波束形成器，该模拟波束形成器被设计成交叠子阵列从而有效降低子阵列的相位中心之间的间隔。然而，这一方法通常要求复杂的多层反馈结构，这导致不必要的高成本。
【发明内容】
[0004]根据一种实施方式，提供了雷达系统的多输入多输出(MMO)天线。所述天线包括接收天线、第一发射天线、和第二发射天线。所述接收天线被配置成检测由目标向接收天线反射的雷达信号。第一发射天线由辐射体元件的第一垂直阵列形成。第二发射天线由不同于第一垂直阵列的辐射体元件的第二垂直阵列形成。第二发射天线与第一发射天线垂直偏移达垂直偏移距离，该垂直偏移距离被选择使得能够确定到目标的仰角。
[0005]在另一实施方式中，提供了雷达系统的多输入多输出(MMO)天线。所述天线包括第一发射天线、第二发射天线、和接收天线。第一发射天线被配置成向目标发射第一雷达信号。第一发射天线由辐射体元件的第一垂直阵列形成。第二发射天线被配置成向目标发射第二雷达信号。第二发射天线由不同于第一垂直阵列的辐射体元件的第二垂直阵列形成。所述接收天线被配置成检测由目标向接收天线反射的雷达信号。所述接收天线由检测器元件的多个成对的垂直阵列形成。
[0006]进一步的特征和优点在阅读以下优选实施方式的详细描述时将更清楚地显现，优选实施方式以仅非限制示例和参考附图方式给出。
【附图说明】
[0007]现在将参考附图以示例方式描述本发明，其中:
[0008]图1A为根据一个实施方式的雷达系统的多输入多输出(MMO)天线；
[0009]图1B为源自图1A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0010]图2A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；
[0011]图2B源自图2A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0012]图3A为根据一个实施方式的图1A的MMO天线的性能特性图；
[0013]图3B为根据一个实施方式的图4A的MMO天线的性能特性图；
[0014]图4A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；
[0015]图4B为源自图4A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0016]图5A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；
[0017]图5B为源自图5A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0018]图6A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；
[0019]图6B为源自图6A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线；
[0020]图7A为根据一个实施方式的雷达系统的MMO天线；以及
[0021]图7B为源自图7A的MMO天线配置的等效虚拟接收天线。
【具体实施方式】
[0022]通常，多输入多输出(MIMO)天线架构为电扫描提供了改善的空间覆盖率和分辨率。MIMO操作通常要求多个发射和多个接收天线以及多个发射机和接收机。然而，此处展示的教导也适用于更简单的接收天线配置，例如包括单个元件的单个接收天线。此处描述了 MIMO天线的各种配置，其中发射和接收天线的数量依赖于在方位(水平)和俯仰(垂直)维度两者要求的空间覆盖率和分辨率。发射机和接收机的数量可以等于发射和接收天线的数量，或者可以在各个发射和/或接收机天线之间分时操作更少数量的发射机和接收机。然而，为了最佳性能，使用并行发射和接收信道，每个天线一个信道，而不是分时操作。
[0023]发射和接收天线的数量影响雷达在方位和俯仰上的空间能力，并且也影响系统成本。通常，更多的天线以增加的成本为代价提供更好的能力。如将更详细描述的，提供合适的方位分辨率的天线或系统可以以直接(straightforward)方式重新配置以增加仰角分辨率。即，当与仅提供方位(或仰角分辨率)的配置相比，此处描述的MMO天线的一些配置在不增加发射或接收天线数量的情况下同时方位和仰角分辨率两者，并且还提供了合适的栅瓣特性。换言之，从提供足够的方位分辨率的配置开始，此处描述的改善在不增加发射(TX)天线或接收(RX)天线数量的情况下增加了仰角分辨率。
[0024]此处描述的一些MMO配置的另一方面包括在水平维度上间隔多个TX和RX天线，这同时提供了较高增益的天线，具有半波长间隔的虚拟合成阵列以避免栅瓣。相比较小、较低增益的天线，较大、较高增益的天线提供更好的检测范围和较高的空间分辨率。为了避免栅瓣，形成TX和RX天线的垂直阵列通常被要求间隔半波长。由此，具有MMO或常规数字波束成形架构的较大天线要求为半波长间隔附加的TX和/或RX信道(较高成本)以避免栅瓣。
[0025]此处描述的一些MMO配置的另一方面包括将TX和RX天线两者的尺寸加倍的MIMO天线配置，具有50%交叠子阵列的虚拟阵列且没有分开的模拟反馈结构。TX和RX天线尺寸的增加改善了检测范围和空间分辨率。在使用的特定配置中，50%交叠子阵列获得垂直阵列的半波长间隔以形成虚拟接收天线，这些一起消除了栅瓣。
[0026]图7A和7B描述了 MMO天线710和示出与第一发射天线722和第二发射天线724协作的接收天线720的等效性能的虚拟接收天线712的非限制示例。即，形成接收天线720、第一发射天线722、和第二发射天线724的六个垂直阵列可提供与仅使用单个接收天线(未示出)时的虚拟接收天线712相同的增益和方位检测特性。应当理解的是，MIMO天线710要求两个发射机和四个接收机来操作(假设发射机和接收机未被复用或者以其他方式分时操作)从而提供与连接到虚拟接收天线712的一个发射机和八个接收机相同的性能。
[0027]由于四个接收阵列(RX1，RX2，RX3，RX4)每个均为单个元件阵列(即，具有单线阵(string)的检测器元件)，四个接收天线可以被物理间隔开半波长(λ/2)。通过将第一发射天线722与第二发射天线724间隔开两个波长(4 λ /2)，虚拟接收天线具有如所示具有一个半波长间隔的八个单元件阵列。由此，所得虚拟接收天线712有效地是接收天线720的两倍宽度，由此两倍地改善了接收天线720的有效空间分辨率。
[0028]需要注意的是，MMO天线710可用于经由数字波束成形确定多个目标的水平或方位角度，但是MMO天线710通常对于测量目标的垂直或仰角没有用处。增加仰角测量能力的一种方式是在垂直维度上分离TX或RX天线以使TX或RX天线和其各自的发射或接收通道的数量加倍(即4-TX/4-RX配置或者2-TX/8-RX配置)。
[0029]继续参考图7作为示例，雷达检测范围可受限于各天线的增益。增加天线的高度是增加天线增益的一种选项，但是高度通常受限于包装尺寸约束和/或需要的仰角覆盖。可以通过添加附加并行虚拟阵列而在宽度上增加TX天线以改善检测范围，但是宽度可受限于需要的方位覆盖。类似地增加RX天线宽度增大了增益，但是也将其间隔增加到大于半波长，这导致了在数字波束成形中非理想的栅瓣。另一选项是增加RX和/或RX天线的数量,这由此增加了成本。
[0030]通过示例并非限制，为76.5*10~9的雷达赫兹(76.5GHz)而选择此处描述的各种MMO天线的特征的尺寸或大小。本领域技术人员将会意识到特征可以被调整比例或以其他方式改变以使得天线110适应用于在不同雷达频率的操作。垂直阵列还已知为微带天线或微带辐射体，并且可以被布置在基底(未示出)上。每个垂直阵列可以是线列或线性阵列元件或者贴片，其由半盎司铜箔在380微米(μπι)厚基底上形成，诸如来自康涅狄格的罗杰的罗杰公司(Rogers Corporat1n ofRogers)的R05880基底。垂直阵列的合适的整体长度是四十八毫米(48mm)。元件或贴片具有1394 μπι宽度和1284 μπι高度。贴片倾斜度可以为雷达信号的一个引导波长，例如2560 μ m,且互联每个贴片的微带可以为503 μ m宽。优选地，元件或贴片被布置在基底的表面上，并且诸如反馈网络之类的其它特征被布置在基地的内层或 背面。应当意识到，此处描述的各种MMO天线通常被配置成以正交于展示的MMO天线的视图的方向来发射和检测雷达信号。即，每个MMO天线的孔位(bore-site)通常正交于展示的视图，即正交于页面。
[0031]图1A和IB描述了建立了所示虚拟接收天线112的雷达系统(未示出)的多输入多输出(MMO)天线110的非限制性示例。MMO天线110包括被配置成检测由目标(未示出)向接收天线反射的雷达信号(未示出)的接收天线120。MMO天线110还包括由辐射体元件136的第一垂直阵列132形成的第一发射天线122 ;以及由不同于(即独立于)第一垂直阵列132的辐射体元件138的第二垂直阵列134形成的第二发射天线124。与图7示出的示例相比，第二发射天线124与第一发射天线122垂直偏移达垂直偏移距离126。所述垂直偏移距离126被选择使得能够确定到目标的仰角。通过示例并非限制，合适的垂直偏移距离126是半波长，例如在76.5GHz为1.96mm。更重要地，第一发射天线122的第一发射相位中心142与第二发射天线124的第二发射相位中心144垂直偏移。如此处使用，如果天线被用于发射雷达信号，天线或阵列的相位中心通常位于辐射的能量分布图的中心。第一发射天线122和第二发射天线124被示出为相同配置仅是为了便于此处进行解释。在这一非限制性示例中，发射天线在各个发射天线的中间点处被反馈一信号，且所以发射天线的相位中心也在中间点。然而，本领域技术人员应当理解，这并不是必须的。也就是说，天线的反馈可以在非中间点处，和/或辐射元件的倾斜度可以被改变，由此使得天线的相位中心位于非中间点的位置处。
[0032]当使用MMO天线710 (图7)时，第二发射天线124与第一发射天线122水平偏移达水平偏移距离128，该水平偏移距离128被选择使得虚拟接收天线112按图所示被建立，由此使得接收天线120的有效宽度加倍，但是将形成虚拟接收天线112的垂直阵列的间隔保持在半波长(λ /2)。
[0033]垂直偏移距离126被选择使得第二发射天线124与和第一发射天线122相交的水平线130相交。通过不同解释的方式，如果第二发射天线124被移动到左边与第一发射天线122共线，则第二发射天线124将垂直交叠第一发射天线。如果垂直偏移距离126太小，精度测量结果会呈现较差的准确度。如果垂直偏移距离126太大，精度测量结果会具有模糊。垂直交叠自身不是必须的；其仅是TX天线的垂直尺寸相比于垂直偏移的结果。例如，示出的TX天线大约12个波长高，而代表性的垂直偏移将为半波长到一个波长。在其它情况中，TX天线可各自为单个贴片，并且然后垂直偏移不会导致任何垂直交叠。
[0034]类似于此处描述的各种MIMO天线，接收天线112 (和此处描述的其它接收天线)包括检测器元件152的一个或多个垂直阵列150。第一发射天线122、第二发射天线124、和接收天线协作以建立如箭头154所示的虚拟接收天线122。虚拟接收天线代表与由其建立的MMO天线具有相同性能即等效于由其建立的MMO天线的接收天线。也就是说，从单个发射天线(未示出)接收发射的雷达信号的虚拟接收天线112与MMO天线110具有相同或等效性能特性。
[0035]通过注释(note)第一发射天线122和接收天线120协作以建立第一组相位中心156，可进一步配置虚拟。类似地，第二发射天线124和接收天线120协作以建立第二组相位中心158。应当理解的是这些相位中心组是虚拟接收天线112的虚拟相位中心。作为第二发射天线124相对于第一发射天线122垂直偏移的结果，第二组相位中心158与第一组相位中心156垂直偏移。由此，通过如所示将第二发射天线124相对于第一发射天线122在垂直方向上偏移或移位而增加仰角测量能力。通过关系ΛΦ = 231 (d/λ) sin<K虚拟相位中心之间的相位偏移与目标相对于MMO天线的孔位的仰角相关，其中目标仰角Φ可由相位偏移Λ Φ确定。
[0036]由于接收天线120由检测器元件152的单个线列形成，垂直阵列150的间隔可以为半波长。由此，如果第二发射天线124与第一发射天线122水平偏移一段水平偏移距离128，该水平偏移距离128被选择使得第二组相位中心158和第一组相位中线156之间的间隙为半波长，则可实现具有最小栅瓣效应的可接受的方位性能。对于示出的示例，发射天线之间适当的间隔为两个波长。换言之，如果虚拟接收天线的所有独立相位中心之间的水平间隔为半波长，则可避免栅瓣。然而，在图1B中，例如，如果在不补偿由于目标仰角的相位偏移变化量phi(A Φ)的情况下一起处理虚拟阵列的两个等分，则“部分”栅瓣可在由垂直偏移距离126确定的水平上出现。注意MMO天线110 (和此处描述的其它MMO天线)具有两个发射机输入和四个接收机输入总共六个输入，其必须由雷达系统供应以提供与具有一个发射机输入和八个接收机输入总共九个输入(其将需要被供应以提供所示MIMO天线的等效性能)的天线的等效性能。
[0037]图2A和2B描述了建立所示虚拟接收天线212的MMO天线210天线的另一非限制性示例。在这一非限制性示例中，第一发射天线222由辐射体元件236的第一对垂直阵列232形成，第二发射天线224由辐射体元件238的第二对垂直阵列234形成。类似地，接收天线220由检测器元件252形成的一对或多对垂直阵列250形成。成对的垂直阵列优于图1A中示出的单个元件阵列，这是因为成对的垂直阵列具有更大的天线增益。然而，由于附加宽度，接收天线220的相位中心246被间隔开一个波长(λ )而不是像对于图1中示出的MMO天线110的情况优选的半波长(λ /2)。典型地，一个波长间隔将导致非理想的栅瓣特性。
[0038]为了改善栅瓣特性，垂直偏移距离228被选择使得第二组相位中心258与和第一组相位中心256相交的垂直线260相交。换一种描述，如果垂直偏移距离226(d)为零,贝U第二组相位中心258将水平交叠第一组相位中心256。水平偏移距离228可以被进一步选择使得第一组相位中心256与第二组相位中心258交错。特定地，交错可使得第一组相位中心256中的至少一些与第二组相位中心258协作，以使得虚拟接收天线212的一些(优选地大多数)相位中心被水平间隔开半波长U/2)从而改善MIMO天线210的栅瓣特性。对于示出的示例，发射天线之间的合适间隔是3.5个波长。在这一情况中，大多数相位中心在水平方向被间隔半波长，而在虚拟阵列的另一侧上的最后相位中心的间隔被间隔一个波长。这将导致“部分”栅瓣，但是即使是这一效应可通过内插技术减弱。
[0039]一旦确定了目标仰角，则可以在方位上进行数字波束成形之前校正由目标仰角引起的相位偏移变化量phi ( △ Φ)(例如在图3A和3B中描述)，以便消除或最小化对于类似于图1和图4中的那些配置的栅瓣，其中水平间隔对于所有相位中心而言是半波长。参考图2，所得虚拟接收天线212的相位中心(256，258)被布置成形成三角波模式。相位中心的垂直偏移提供了使用相位比较方法来测量目标仰角的能力。被垂直对齐的相位中心的水平间隔等于一个波长，其一般在后续方位波束成形中导致栅瓣。这一三角间隔提供了一定程度的栅瓣抑制，这是由于当投影到水平维度时，相位中心间隔等于半波长。本质上，利用三角间隔，依赖于TX天线(222，224)的垂直偏移距离226，栅瓣被转移离开主平面并且在幅度上被减少一些量。在不需要对目标仰角引入的相位偏移进行任何校正的情况下，提供栅瓣抑制的这一方面(通过转移离开主平面和在幅度上降低)。如果相位偏移变化量Phi ( Λ Φ)被校正，栅瓣被抑制。然而，实践中，存在将限制抑制的问题。首先，校正通常仅对于多普勒面元(bin)范围内的单个目标有效。然而，所描述的用于从相位偏移变化量phi估算仰角(elevat1n)的技术通常也仅对于多普勒面元范围中的单个目标有效。
[0040]图3A为形成虚拟接收天线112的每个相位中心的相对相位图300，其中给定多普勒面元范围中的单个目标，示出虚拟接收天线112的每个垂直阵列的相对相位。线性相位递增的斜率与目标方位相关。通过关系ΔΦ =231 (d/X)sin<K虚拟相位中心之间的相位偏移与目标相对于MIMO天线的孔位的仰角相关，其中目标仰角Φ可以由相位偏移ΛΦ确定。如以上讨论，一旦确定了目标仰角，可以在方位上的数字波束成形之前校正相位偏移Λ Φ，从而一起消除栅瓣。
[0041]图3Β为形成虚拟接收天线412 (图4Β)的每个相位中心的相对相位图400，其中给定多普勒面元范围内的单个目标，示出虚拟接收天线412的每个垂直阵列的相对相位。如之前描述，线性相位递增的斜率与目标方位相关。通过关系ΛΦ =2π (dM)sincK虚拟相位中心之间的相位偏移与目标相对于MMO天线的孔位的仰角相关，其中目标仰角Φ可以由相位偏移Λ Φ确定。一旦目标仰角被确定，可以在方位上的数字波束成形之前校正相位偏移以便一起消除栅瓣。从每个天线接收的信号可表征为指示幅度和相位的复数。为了估算目标仰角，相位偏移变化量Phi (△ Φ)被计算，见图3Β。从复值信号计算相位偏移对于本领域技术人员是清楚的。一旦已知这一相位偏移，通过求解上述方程来计算目标仰角。随后，从来自虚拟阵列一半元件(例如来自图4Β的每隔 一个天线)的复值信号中减去这一相位偏移，由此图3Β中的对应相位被移位以便所有相位中心的相位位于沿着相同线。随后，在没有任何栅瓣的情况下，数字波束成形将在目标方位角处形成峰值。
[0042]估算目标仰角的另一技术是使用不同目标仰角的相位偏移校正来执行方位上的数字波束成形。最小化栅瓣水平的相位偏移确定目标的仰角。与第一种技术不同，该第二种技术对于在同一多普勒面兀范围内不同方位和仰角处的多个目标有效。
[0043]图4Α和4Β描述了建立所描述的虚拟接收天线412的MMO天线410天线的另一非限制性示例。在这一非限制性示例中，第一发射天线422由单个垂直阵列形成，并且第二发射天线424由单个垂直阵列形成。由此，发射天线与图1A中示出的相当。类似于图2Α，接收天线420由一对或多对垂直阵列形成。成对的垂直阵列相对于图1A中示出的单个元件阵列是有利的，这是因为成对的垂直阵列具有更大的天线增益。然而，由于附加宽度，接收天线420的相位中心446被间隔开一个波长(λ)而不是像对于图1中示出的MMO天线110的情况下优选的半波长(λ /2)。虚拟接收天线412的第一组相位中心456和第二组相位中心458按所示被布置。
[0044]典型地，一个波长间隔将导致非理想栅瓣特性。然而，由于发射天线具有半波长(λ/2)的水平偏移距离428，相位中心图案412与具有半波长(λ/2)水平间隔的所有虚拟接收天线阵列完全交错。发射天线的垂直偏移距离426涉及如先前讨论的在仰角测量准确度和模糊度上的折衷。为了避免在估算目标仰角时的模糊，垂直偏移距离可以被选择为半波长(λ /2)。
[0045]至此所描述的MMO天线已经被配置成通过垂直偏移发射天线来提供仰角检测。然而，如果不需要仰角检测，则当垂直偏移距离被设置成零时，仍然可以使用为改进的栅瓣特性所提供的特征。
[0046]图5Α和5Β描述了建立所描述的虚拟接收天线512的MMO天线510天线的另一非限制性示例。MMO天线510包括被配置成向目标(未示出)发射第一雷达信号(未示出)的第一发射天线522。在这一示例中的第一发射天线由辐射体元件的第一垂直阵列形成，其为辐射体元件的单个线列或单个垂直阵列。MIMO天线还包括被配置成向目标发射第二雷达信号(未示出)的第二发射天线524。类似地，第二发射天线由辐射体元件的第二垂直阵列形成，其为单个线列且不同于第一垂直阵列。
[0047]MMO天线510还包括被配置成检测由目标向接收天线520反射的雷达信号的接收天线520。在这一示例中，类似于图2A中的接收天线220，接收天线520由检测器元件的多个成对的垂直阵列形成。成对的垂直阵列相对于图1A中示出的单个元件阵列更有利，这是因为成对的垂直阵列具有更大的天线增益。然而，由于附加宽度，接收天线520的相位中心446被间隔开一个波长(λ)而不是像对于图1中示出的MMO天线110的情况优选的半波长(λ /2)。虚拟接收天线512的第一组相位中心556和第二组相位中心558按所示被布置。
[0048]典型地，一个波长间隔将导致非理想栅瓣特性。然而，由于发射天线具有半波长(λ/2)的水平偏移距离528，相位中心图案512与具有半波长(λ/2)水平间隔的所有虚拟接收天线阵列完全交错。
[0049]图6Α和6Β描述了建立所描述的虚拟接收天线612的MMO天线610天线的另一非限制性示例。在这一非限制性示例中，第一发射天线622由辐射体元件的第一对垂直阵列形成，并且第二发射天线624由辐射体元件的第二对垂直阵列形成。使得发射天线由成对的垂直阵列形成是有益的，这是因为由发射信号发射的雷达信号沿着天线的孔位更加聚焦。然而，由于附加宽度，相对于先前的示例，水平偏移距离628被增加，所以发射天线被间隔开大于半波长(λ/2)。由此相比于图5Β，虚拟接收天线612的一些交错丢失。
[0050]类似于先前示例，第一发射天线622和接收天线620协作以建立第一组相位中心658。类似地，第二发射天线624和接收天线620协作以建立不同于第一组相位中心656的第二组相位中心658。由于第二发射天线624与第一发射天线622水平偏移，则第一组相位中心656与第二组相位中心658水平偏移。由于形成接收天线620的成对垂直阵列被间隔开多于半波长(λ /2)，水平偏移距离628可以被有利地选择使得第一组相位中心656与和第二组相位中心658相交的垂直线660相交。换言之，水平偏移距离628可以被有利地选择使得第一组相位中心656与第二组相位中心658水平地交叠。
[0051]水平偏移距离628还可以被有利地选择使得第一组相位中心656与第二组相位中心658交错，这与使得第一组相位中心与来自另一组的相位中心重合的情况相反。通常，由发射天线发射的雷达信号可由波长表征。优选地，形成接收天线620的多个成对垂直阵列中的每一者被水平间隔开一个波长，且水平偏移距离628被选择使得虚拟接收天线612的相位中心中的至少一些被水平间隔开半波长。
[0052]由此，提供了多种MIMO天线。一些配置提供通过将成对发射天线相对于彼此垂直偏移来检测到目标仰角。通过排列发射天线来建立虚拟接收天线提供通常由被物理间隔开半波长的窄天线(即单线列阵列)所具有的优选栅瓣特性，一些配置提供改进的栅瓣特性，同时相对宽天线(即成对垂直阵列)被用于改进增益。这些特征可以被组合由此提供享受由成对垂直阵列提供的增加增益还具有与间隔开半波长的单个线列的那些接收天线相当的栅瓣特性的MMO天线。如以上提及的，这相比于交叠子阵列以使用复杂多层反馈网络获取半波长间隔的现有技术的尝试而言是有益的。
[0053]尽管本发明根据其优选实施方式进行了描述，但是其不意在限制于此，而是仅限于在所附权利要求中提出的范围。
【主权项】
1.一种雷达系统的多输入多输出(MMO)天线(110，210，410)，所述天线包括: 接收天线(120，220，420)，被配置成检测由目标向该所述接收天线反射的雷达信号； 第一发射天线(122，222，422)，由辐射体元件(136，236)的第一垂直阵列(132，232)形成；以及 第二发射天线(124，224，424)，由不同于第一垂直阵列的辐射体元件(138，238)的第二垂直阵列(134，234)形成，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线垂直偏移达垂直偏移距离(126，226，426)，该垂直偏移距离(126，226，426)被选择为使得能够确定到目标的仰角。2.根据权利要求1所述的MIMO天线，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线水平偏移。3.根据权利要求2所述的MIMO天线，其中所述垂直偏移距离使得第二发射天线与和与所述第一发射天线相交的的水平线(130)相交。4.根据权利要求1所述的MIMO天线，其中所述接收天线包括检测器元件(152，252)的一个或多个垂直阵列(150，250)，其中所述第一发射天线和所述接收天线协作以建立第一组相位中心(156，256，456)，且所述第二发射天线和所述接收天线协作以建立与所述第一组相位中心垂直偏移的第二组相位中心(158，258，458)。5.根据权利要求4所述的MIMO天线，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线水平偏移，藉此所述第一组相位中心与所述第二组相位中心水平偏移。6.根据权利要求5所述的MIMO天线，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线水平偏移达水平偏移距离(128，228，428)，该水平偏移距离(128，228，428)被选择使得所述第二组相位中心与和第一组相位中心相交的任何垂直线都不相交。7.根据权利要求5所述的MIMO天线，其中所述第二发射天线与所述第一发射天线水平偏移达水平偏移距离(128，228，428)，该水平偏移距离(128，228，428)被选择使得所述第二组相位中心与和所述第一组相位中心相交的垂直线(160，260)相交。8.根据权利要求7所述的MIMO天线，其中所述水平偏移距离被选择以使得所述第一组相位中心与所述第二组相位中心交错。
【专利摘要】本申请公开了一种具有仰角检测的MIMO天线。一种雷达系统的多输入多输出(MIMO)天线(110，210，410)，包括接收天线(120，220，420)、第一发射天线(122，222，422)、和第二发射天线(124，224，424)。该接收天线被配置成检测由目标向该接收天线反射的雷达信号。该第一发射天线由辐射体元件(136，236)的第一垂直阵列(132，232)形成。该第二发射天线由不同于第一垂直阵列的辐射体元件(138，238)的第二垂直阵列(134，234)形成。该第二发射天线与该第一发射天线垂直偏移达垂直偏移距离(126，226，426)，该垂直偏移距离(126，226，426)被选择使得能够确定到目标的仰角。
【IPC分类】H01Q21/00, G01S3/14
【公开号】CN104901021
【申请号】CN201410858408
【发明人】S·W·阿兰德
【申请人】德尔福技术有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年12月31日
【公告号】EP2916144A1, US20150253420
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