天线阵列、雷达和可移动平台
技术领域
本申请涉及天线技术领域，具体涉及一种天线阵列、雷达和可移动平台。
背景技术
单一天线的方向性是有限的，为适合各种场合的应用，将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的要求进行馈电和空间排列可以构成天线阵列。通过控制分配给每个天线的输入信号的相位和幅度，能够在预计方向上引导辐射方向图。
发明内容
本申请实施例提供一种天线阵列、雷达和可移动平台。
第一方面，本申请实施例提供一种天线阵列，包括馈电单元和辐射单元；所述辐射单元包括多个辐射子单元；所述馈电单元包括功率分配器，所述功率分配器包括多个输出段，所述多个输出段通过多个延伸段与所述多个辐射子单元对应连接，所述馈电单元分为相邻且结构对称的第一区域和第二区域，在所述第一区域，所述多个输出段中每相邻两个输出段的长度不同，所述多个延伸段中每相邻两个延伸段的长度不同。
第二方面，本申请实施例还提供一种雷达，包括第一方面的天线阵列。
第三方面，本申请实施例还提供一种可移动平台，包括第二方面的雷达。
本申请的天线阵列，通过功率分配器实现多个辐射子单元的激励幅度分配、通过输出段和延伸段实现多个辐射单元的激励相位分配，本申请实施例提供的天线阵列在不同的视场角内具有不同的增益值，进而使得雷达能在不同视场角内实现不同距离范围的测量。
附图说明
图1是一种现有技术的雷达的结构示意图；
图2是一种实施例的雷达的结构示意图；
图3是一种实施例的天线阵列的平面结构示意图；
图4是一种实施例的天线阵列的分解结构示意图；
图5是一种实施例的馈电单元的结构示意图；
图6是一种实施例的辐射子单元的结构示意图；
图7是一种实施例的天线阵列的回波损耗曲线图；
图8是一种实施例的天线阵列的水平面的方向图；
图9是一种实施例的天线阵列的俯仰面的方向图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
毫米波雷达是无人驾驶系统中的关键传感器，具有全天候工作，成本适中等优势。车载毫米波雷达的工作原理为：通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息。
如此，雷达需要满足两种探测模式。一种探测模式为中短距离、宽视场角(Fieldof View，FOV)探测，例如探测距离小于等于100m，可以简称为近光灯探测模式；另一种探测模式为长距离、窄FOV探测，例如探测距离小于等于200m，可以简称为远光灯探测模式。
现有技术中，为了能够实现远光灯探测模式和近光灯探测模式，采用远光灯探测模式天线加上近光灯探测模式天线，或者其他组合方式。请参考图1，图1为现有技术提供的一种雷达结构示意图，雷达包括芯片71、与芯片71连接的发射天线TX1、TX2，以及接收天线RX1、RX2……RXn，n为大于等于2的正整数。发射天线TX1和TX2的方向图不同，并分别用于实现远光灯探测模式和近光灯探测模式。发射天线TX1和TX2在时间上交替工作。现有技术中的发射天线TX1和TX2为分离式结构，在结构上需设计两个天线，以及需配套对应的馈线走线，这种方式增加了雷达模块面积，不利于安装以及降低成本；同时，由于天线布局增加了馈线走线，导致传输损耗的增加，不利于高增益设计。
本申请实施例提供一种天线阵列、雷达和可移动平台，能在一个天线阵列上实现远光灯和近光灯两种探测模式。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参考图2，芯片71设有合路器81，发射天线TX与合路器81连接。芯片71提供的多通道信号经合路器81合成单通道信号，用以激励发射天线TX。本申请实施例仅使用一个天线阵列作为发射天线即可同时支持远光灯探测模式和近光灯探测模式，相比于图1的现有技术，发射天线所占的面积显著减小，节省安装空间，简化了馈线走线，降低了传输损耗，有利于高增益设计，降低雷达的成本。
本申请实施例提供的天线阵列和雷达，可应用在如汽车、无人机、轮船等可移动平台上，用于探测前进方向上的障碍物。示例的，本申请实施例提供的天线阵列和雷达应用于汽车，雷达的工作频段为76GHz-77GHz，雷达可设置在车架的前端、顶端等。采用本申请实施例提供的天线阵列，能够实现远光灯探测模式和近光灯探测模式，雷达模块面积小，便于与可移动平台的安装集成。
请参考图3至图5，为本申请实施例提供一种天线阵列，包括馈电单元2和辐射单元3。辐射单元3包括多个辐射子单元(31、32……38)。馈电单元2包括功率分配器，功率分配器包括多个输出段23，多个输出段23通过多个延伸段24与多个辐射子单元对应连接。请参考图5，馈电单元2分为相邻且结构对称的第一区域M和第二区域N。第一区域M和第二区域N将馈电单元2分为两个部分。由于馈电单元2的结构对称，以第一区域M为例说明，第二区域N参照即可。在第一区域M，多个输出段(231、232、233、234)中每相邻两个输出段的长度不同，多个延伸段(241、242、243、244)中每相邻两个延伸段的长度不同。
请参考图4，天线阵列还包括基板1，基板1包括第一面及与第一面相背的第二面，辐射单元3设置于基板1的第一面，第二面设有接地层4，馈电单元2与接地层4电连接。接地层4例如为铜箔，用作参考地。基板1为介质基板，可以采用聚四氟乙烯(Poly tetrafluoroethylene，PTFE)材质，型号可以为来自罗杰斯公司(ROGERS)的RO3003，RO5880等，或者来自泰康尼克公司(TACONIC)的TLY-5，NF-30等。基板1的厚度为0.1mm-0.5mm，优选为0.127mm。
一种实施例中，功率分配器为设置于基板1的基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide，SIW)功率分配器，SIW功率分配器还包括输入段21和主体段22，输入端21、主体段22和输出段23依次连接。结合图2和图3，输入段21用于与合路器81连接，例如通过馈线连接，芯片71输出的信号经合路器81传输至输入段21，信号经馈电单元2进行分配后从辐射单元3向外辐射，实现发射天线发射信号的目的。
采用SIW功率分配器有利于降低天线阵列的插入损耗。图3至图5中示出的即为功率分配器为SIW功率分配器的实施方式，然而本发明不限于此，功率分配器还可以设置为微带功率分配器等其他形式。
一种实施例中，馈电单元2和辐射单元3设置于基板1的同一表面，即馈电单元2和辐射单元3共面，结构简单，便于制作。制作时，可以采用在基板1上刻蚀的方式形成馈电单元2和辐射单元3。
一种实施例中，馈电单元2和辐射单元3可以位于基板1的不同表面，即馈电单元2和辐射单元3不共面。例如，基板1为上下两层的双层结构，馈电单元2设置在基板1的上下两层之间，辐射单元3设置在基板1的上层之背向下层的表面。
本实施例中，输出段的数量为多个，且相邻的两个输出段的长度不同，同时，设置延伸段连接输出段和辐射子单元，且延伸段的数量亦为多个，且相邻的两个延伸段的长度不同，信号在输出段和延伸段上的不同传播距离产生相位差异，实现了对于不同辐射子单元的激励相位分配，使得馈电单元2的信号在辐射单元3上辐射时，能够实现多个视场角对应多个增益值，进而使雷达能在不同视场角内实现不同距离范围的测量。在一种实施方式中，即能同时满足远光灯探测模式和近光灯探测模式的需求，相比于分离设计的两个发射天线的结构，本实施例的天线阵列无需切换发射通道，即无需时间上交替进行探测，而能够同时进行远光灯探测和近光灯的探测，提高了探测的实时性和精确性。
探测时，近光灯探测模式的探测距离一般小于100m，探测视场角(FOV)较大，远光灯探测模式的探测距离一般小于200m，探测视场角(FOV)较小，且探测方向为水平面，故对天线阵列的方向图的要求是：在水平面上，在窄波束宽度范围内具有高增益；在宽波束宽度内具有中等增益。在俯仰面上，需尽量减少杂散波对于探测的扰乱影响，故天线阵列的方向图中，在俯仰面需要有一定的旁瓣抑制水平。因此，请参考图8，本申请中，设计天线阵列的水平面的方向图的形状呈头肩形，头部相对于两侧的肩部突出，从而能够满足水平面方向图的远光灯探测模式和近光灯探测模式的不同要求。请参考图9，设计天线阵列的俯仰面的方向图具有较好的旁瓣抑制水平。
根据天线的方向图的特征，SIW功率分配器设置合适的功率分配和相位分配方案，并适应性的设置天线阵列的物理结构，从而实现本申请的发明目的。功率分配的方法包括：1、采用SIW功率分配器，设置多个输出段23，并通过多个延伸段24与多个辐射子单元3对应连接，形成串馈级联分布结构，实现低插入损耗。2、通过SIW功率分配器的金属过孔的设计控制各个输出段的输入阻抗，实现限幅和阻抗匹配的作用。关于金属过孔的内容在后续进行说明。相位分配的方法包括：1、设置多个输出段23及延伸段24之间的合理间隔，使得相邻的端口(延伸段23与辐射子单元3连接的端部)的相位按需分布。2、通过长度不同的多个输出段23及长度不同的多个延伸段24的设置，信号在输出段23和延伸段24的传播相速具有差异，实现相位的按需分布。3、设置辐射子单元3的结构进行相位的分配。上述内容将在后续进行详细描述。
本申请根据预设的方向图特征，反推天线的结构的设计方法为：
根据天线阵列的预设的方向图，获取辐射单元3的幅相特征；根据辐射单元3的幅相特征，获取馈电单元2的功率分配和相位分配信息；根据辐射单元3的幅相特征和馈电单元的功率分配和相位分配信息，设计馈电单元2和辐射单元3的形状和结构。
在获取辐射单元3的幅相特征时，满足：
40log10(R2/R1)＝G2-G1(dB)(1)
其中，R1为预设的天线阵列的近光灯探测模式探测的最远距离，R2为预设的天线阵列的远光灯探测模式探测的最远距离；G1为天线阵列的近光灯探测模式的增益，G2为天线阵列的远光灯探测模式的增益，以获取天线阵列的远光灯探测模式和近光灯探测模式的方向图的增益差。例如，R1为100m，R2为180m，代入上述(1)的公式，可得增益差G2-G1约为10dB。
在获取辐射单元3的幅相特征时，预设远光灯探测模式的视场角为-10°至10°，预设近光灯探测模式的视场角为-45°至45°。满足：
其中，AF为天线阵列的水平面的阵因子，θ为水平面的视场角(即辐射角)，
在获取辐射单元3的幅相特征时，满足：
objectiveFun(θ)＝f(θ)＝STD[nomalized(AF(θ)+EFH(θ))+G2-G1](dB)(3)
其中，objectiveFun(θ)和f(θ)为远光灯探测模式和近光灯探测模式的合成方向图的适应度函数，EFH(θ)为天线的水平面的单元方向图(Element Pattern)。
其中，天线的水平面的单元方向图满足：
EFH＝sinc(k0*ω*sin(θ)/2)(4)
其中，k0＝2π/λ0，ω＝2πf，为角频率。
将(1)、(2)和(4)式代入(3)可知，天线的方向图问题转换为最小值求解问题，即求出min{f(θ)}，求解域为θ∈(-45°,-10°)∪(10°,45°)。可采用现有技术中的遗传算法、蚁群算法等最优化算法进行求解，得到每个端口的幅相信息Iexp(jα)。根据每个端口的幅相信息Iexp(jα)，结合远近光灯探测的具体场景，可得出天线阵列的形状和结构的可能的实施方案。
下面介绍根据上述方法得到的天线阵列的可能的实施例的结构。
一种实施例中，每个输出段(231、232……238)和对应的每个延伸段(241、242……248)的长度之和相等，使得多个延伸段(241、242……248)具有齐平的端部。多个延伸段23的端部为信号输出的端口，该端口用于与多个辐射子单元3连接，平齐的端部能简化结构，使得天线阵列的结构较为规则。其他实施例中，每个输出段(231、232……238)和对应的每个延伸段(241、242……248)的长度之和也可不相等，使得端口不齐平。
一种实施例中，请参考图5，多个延伸段(241、242……248)的延伸方向互相平行，且任意相邻两个延伸段之间的间隔距离相等，各个辐射子单元之间的间隔距离也对应相等。本实施例中，任意相邻两个延伸段之间的间隔距离小于介质波长。由于电磁波的频率为76GHz-77GHz，即介质波长约3.9mm，可设置任意相邻两个延伸段之间的间隔距离为2mm，小于介质波长，能实现相邻端口之间的相位近似反相分布。
一种实施例中，请参考图5，输出段(231、232……238)的宽度大于延伸段(241、242……248)的宽度。输出段(231、232……238)为SIW结构，延伸段(241、242……248)为微带线结构。
一种实施例中，请参考图5，多个输出段(231、232……238)的宽度相等，且相邻两个输出段紧邻设置，使得SIW功率分配器的结构紧凑，天线阵列的模块面积小，便于实现小型化设计。
一种实施例中，请参考图3和图5，输入段21、主体段22和输出段(231、232……238)包括多个金属过孔25，多个金属过孔25贯穿基板1。多个金属过孔25形成信号传输的边界，即信号遇到金属过孔反射，合理控制相邻的金属过孔25之间的间距，可以尽可能的减少信号从相邻的两个金属过孔25之间的间隙穿过。故设置多个金属过孔25，能够根据每个端口的幅相信息，合理控制信号的传输路径及范围，从而满足设计要求。
一种实施例中，请参考图5，多个金属过孔25沿输入段21、主体段22和输出段(231、232……238)的边缘排布，且主体段22与输出段(231、232……238)连接处的金属过孔25的间距大于边缘排布的金属过孔的间距，信号在多个金属过孔25形成的内壁之间传输。图5中，多个金属过孔25的分布，形成以虚线A为基准，多条虚线B为相邻两个输出段的分界线的结构，即多个金属化过孔25形成的耦合窗口形成输出段的一部分，耦合窗口在虚线A处为窗口的开口，信号从该开口处进入耦合窗口传输。通过设置多个金属过孔25，实现耦合窗口，形成多个输出段(231、232……238)的结构。
主体段22内还包括多个金属过孔26，信号通过输入段21流入主体段22后，经设置在主体段22内的多个金属过孔26流入各个输出段，可以控制各个输出段的输入阻抗，实现限幅和阻抗匹配的作用。
一种实施例中，请参考图5，延伸段241包括依次连接的第一微带线2411和第二微带线2412，第一微带线2411连接输出段231，第二微带线2412连接辐射子单元。进一步的，沿第一微带线2411连接输出段231的一端至第一微带线2411远离输出段231的一端的方向，第一微带线2411的宽度逐渐减小。第一微带线2411的平面结构的形状大致呈梯形，梯形的两条腰的轮廓线可以为弧线，即第一微带线2411将输出段231和第二微带线2412圆滑过渡，以实现传输匹配。其他的延伸段(242……248)结构类似，参照即可。
一种实施例中，请参考图3和图5，延伸段(241、242……248)的与辐射子单元(31、32……38)连接的端部为端口，且多个辐射子单元(31、32、……38)的端口的幅相信息对称。具体的，多个辐射子单元(31、32、……38)的激励幅度和激励相位相对于天线阵列的中轴线对称，天线阵列的中轴线的延伸方向与第一区域与第二区域的分界线的延伸方向相同。
一种实施例中，请参考图3，辐射子单元的数量为8，分别为31、32、……38，8个辐射子单元按顺序排列。根据前述的设计方法，得到辐射子单元的激励幅度和激励相位满足：I1＝I8＝A1*exp(j(B1*pi))、I2＝I7＝A2*exp(j(B2*pi))、I3＝I6＝A3*exp(j(B3*pi))和I4＝I5＝A4*exp(j(B4*pi))，其中，A1、A2、A3、A4用于表示激励幅度信息，B1、B2、B3、B4用于表示激励相位信息，pi为圆周率。
一种优选的实施例中，I1＝I8＝1exp(j(7*pi/18))、I2＝I7＝3exp((8*pi/18))、I3＝I6＝2exp((2*pi/18))和I4＝I5＝1。为实现上述激励幅度和激励相位，对于馈电结构2，采用的结构为：第一个输出段231的长度等于第八个输出段238的长度，第二个输出段232的长度等于第七个输出段237的长度，第三个输出段233的长度等于第六个输出段236的长度，第四个输出段234的长度等于第五个输出段的长度，且第二个输出段232的长度＞第四个输出段234的长度＞第三个输出段233的长度＞第一个输出段231的长度。
下面介绍辐射单元的一些实施例。
一种实施例中，请参考图3、图5和图6，以第一个辐射子单元31为例，其他的辐射子单元(32、33……38)相似，参照即可。辐射子单元31包括多个微带线311和多个贴片312。微带线311连接相邻的两个贴片312。设置辐射子单元31为微带线311和贴片312的微带贴片结构。信号在辐射子单元31上传输和辐射时，形成串馈的驻波。贴片312的数量例如为14个。其他实施例中，辐射子单元31也可以采用缝隙天线等其他天线形式。
一种实施例中，多个贴片呈从辐射子单元的一端向另一端逐渐缩小的渐变的排布。另一种实施例中，请参考图6，多个贴片312呈从辐射子单元31的中部向两端逐渐缩小的渐变的排布。
一种实施例中，请参考图6，设置多个贴片312的尺寸，以使能量在辐射子单元31中每个贴片312的激励幅度满足泰勒分布，以使辐射子单元31的天线方向图中旁瓣抑制水平较优，例如，旁瓣抑制水平低于-25dB。
一种实施例中，请参考图6，辐射子单元31延伸方向上的长度l满足中心频率f0＝76.5GHz处1/2个介质波长，
多个贴片312之间通过微带线311串联，相邻的两个贴片312之间的间距满足同相分布。
一种实施例中，请参考图3和图6，在垂直于辐射子单元31延伸方向的方向上，多个辐射子单元(31、32、……38)的多个贴片312互不齐平。设置多个贴片312互不齐平而具有交错的形状，能够微调天线方向图的形状，得到更符合要求的天线辐射特性，使得远近光灯探测模式的探测效果更好。
一种实施例中，请参考图3，多个辐射子单元(31、32、……38)在基板1的板面上共面。
请参考图7，给出了天线阵列的回波损耗S11的结果，可知10dB阻抗带宽7.5GHz，满足76.0～77.0GHz的工作带宽。
请参考图8，在天线的水平面方向图中，分别给出了76.0GHz，76.5GHz和77.0GHz频点处的水平面方向图，远近光灯探测模式的增益差和FOV范围满足设计要求。76.5GHz频点方向图的近光灯区域增益平坦度小于1dB，远光灯FOV方向图3dB波束宽度为±7°，近光灯FOV内方向图3dB波束宽度为±45°。
请参考图9，在天线的水平面方向图中，分别给出了76.0GHz，76.5GHz和77.0GHz频点处的俯仰面方向图，旁瓣抑制水平分别为21dB，20.9dB和20.7dB。旁瓣抑制水平满足设计要求。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
