毫米波雷达和无人飞行器的制作方法

1.本发明涉及雷达技术领域，特别是涉及一种毫米波雷达和无人飞行器。


背景技术：

2.mimo(multiple-input multiple-output，多输入多输出)技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术。其基本原理为：采用多个发射天线，同时发射相互正交的波形(fmcw、ofdm等)，多波形信号在空间保持独立，对目标进行照射，经过目标的散射，用多个接收天线接收目标回波信号并对其进行综合处理，提取目标的空间位置和运动状态等信息。采用mimo技术的毫米波雷达是利用多发多收的天线阵等效形成虚拟的大孔径阵列，因此在不改变实际天线数量和口径的基础上，可提高毫米波雷达的天线增益。然而，当该类型的毫米波雷达在进行俯仰面测高时，由于其旁瓣也较高，旁瓣回波高于主瓣回波会出现虚假目标，进而影响到毫米波雷达的识别准确率。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的在于提供一种毫米波雷达和无人飞行器，旨在改善现有的毫米波雷达识别准确率不高的问题。
4.根据本发明实施例的第一个方面，提供一种毫米波雷达，包括雷达芯片、发射天线阵列和接收天线阵列。雷达芯片具有发射端和接收端；发射天线阵列与所述雷达芯片的发射端连接，所述发射天线阵列包括两个第一梳状天线和两个第一串馈天线；接收天线阵列与所述雷达芯片的接收端连接，所述接收天线阵列包括两个第二梳状天线和两个第二串馈天线；其中，两个所述第一梳状天线、两个所述第二梳状天线和一所述第二串馈天线在俯仰面形成第一虚拟稀疏阵列，一所述第一梳状天线、两个所述第一串馈天线和两个所述第二串馈天线在水平面形成第二虚拟稀疏阵列，所述第二虚拟稀疏阵列的虚拟口径小于所述第一虚拟稀疏阵列的虚拟口径。
5.在一些可选的实施例中，所述第二虚拟稀疏阵列的虚拟口径比所述第一虚拟稀疏阵列的虚拟口径小0.5-2λ，其中λ为天线波长。
6.在一些可选的实施例中，所述第一虚拟稀疏阵列为具有17阵元的第一虚拟稀疏阵列，所述17阵元的第一虚拟稀疏阵列的发射天线分布为：tx＝[1 0 0 0 0 0 0 0 0 1],接收天线的分布为：rx＝[1 0 0 0 1 0 0 1]，其中，1表示所在位置有天线，0表示所在位置没有天线，任意相邻两个位置之间的间距为λ/2。
[0007]
在一些可选的实施例中，所述第二虚拟稀疏阵列为具有15阵元的第二虚拟稀疏阵列，所述15阵元的第二虚拟稀疏阵列的发射天线分布为：tx＝[1 0 0 0 0 0 1]，接收天线分布为：rx＝[1 0 0 0 0 1 0 0 1]。
[0008]
在一些可选的实施例中，所述毫米波雷达还包括介质基板，所述雷达芯片、所述发射天线阵列和所述接收天线阵列设置于所述介质基板。
[0009]
在一些可选的实施例中，所述介质基板上设有接地金属框，所述接地金属框环绕
所述发射天线阵列和所述接收天线阵列设置。
[0010]
在一些可选的实施例中，所述第一梳状天线和所述第一串馈天线正交设置，所述第二梳状天线与所述第一梳状天线平行设置，所述第二串馈天线与所述第一串馈天线平行设置；沿第一方向，两个所述第一梳状天线处于所述介质基板的一端，两个所述第二梳状天线和一所述第二串馈天线处于所述介质基板的另一端；沿第二方向，两个所述第二串馈天线处于所述介质基板的一端，一所述第一梳状天线和两个所述第一串馈天线处于所述介质基板的另一端，其中，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第一方向垂直于所述介质基板的厚度方向。
[0011]
在一些可选的实施例中，所述第一梳状天线包括两个梳状微带天线单元，两个所述梳状微带天线单元的馈电点至少部分重叠；所述第一串馈天线包括两个串馈微带天线单元，两个所述串馈微带天线单元的馈电点至少部分重叠。
[0012]
在一些可选的实施例中，所述第一梳状天线、所述第一串馈天线、所述第二梳状天线和所述第二串馈天线中的各贴片单元的宽度根据泰勒电流分布进行确定。
[0013]
根据本发明实施例的第一个方面，提供一种无人飞行器，包括如上所述的毫米波雷达。
[0014]
本发明实施例的有益效果是：本发明实施例采用串馈天线和梳状天线布局设计，在水平面和俯仰面分别形成虚拟稀疏阵列，使得该雷达在水平面和俯仰面均具备较高天线增益的同时，也具备较高的角度分辨率，相较于现有的毫米波雷达而言，该雷达的主瓣提升的同时旁瓣也降低，因此可改善现有毫米波雷达的旁瓣影响，进而提高该雷达的识别准确率。此外，串馈天线和梳状天线的结构相较于传统的矩形贴片微带天线而言减少了介质基板的使用面积，可有效满足无人飞行器对雷达体积、重量以及探测性能的要求。
附图说明
[0015]
为了更清楚地说明本发明具体实施例或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0016]
图1为本发明实施例提供的毫米波雷达的结构示意图；
[0017]
图2为图1中雷达芯片的发射端和接收端的示意图；
[0018]
图3为图1所示雷达中的发射天线阵列和接收天线阵列分布示意图；
[0019]
图4为图3中经过虚拟孔径并进行阵列稀疏处理得到的等效布阵图；
[0020]
图5为图1中毫米波雷达的收发环路非相干合并方向图；
[0021]
图6为运用matlab综合的第一虚拟稀疏阵列e面虚拟阵阵因子归一化方向图；
[0022]
图7为运用matlab综合的第二虚拟稀疏阵列e面虚拟阵阵因子归一化方向图。
具体实施方式
[0023]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提
下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
[0025]
在本发明的描述中，应当说明的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0026]
在本发明的描述中，应当说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0027]
请参阅图1示出的示例，图1为本发明实施例提供的毫米波雷达的结构示意图。该毫米波雷达包括介质基板40、雷达芯片10、发射天线阵列20和接收天线阵列30。介质基板40为各部件的安装支撑结构。雷达芯片10、发射天线阵列20和接收天线阵列30均设置于介质基板40。雷达芯片10具有发射端101和接收端102。发射天线阵列20与雷达芯片10的发射端101相连，接收天线阵列30与雷达芯片10的接收端102相连。雷达芯片10所产生的宽带线性调频信号可通过发射天线阵列20发射出去，与此同时，雷达芯片10对接收天线阵列30接收的目标回波信号进行处理，并通过目标回波信号和宽带线性调频信号的混频生成中频回波信号，之后，雷达芯片10对多路中频回波信号进行信号处理，获得目标的幅相信息(幅度信息和相位信息)和角度信息，最后，雷达芯片10对目标的幅相信息和角度信息进行门限数据筛选，并根据筛选出的数据生成目标信息。
[0028]
为了在接下来能够清楚地描述各方位，利用图1中的坐标系对各方向进行了定义。如图1所示，坐标轴x表示为发射天线阵列20中的两第一串馈天线22相对布置的第一方向，其与介质基板40所在的平面相平行，也可以是接收天线阵列30中两第二串馈天线32相对布置的方向。坐标轴y表示为发射天线阵列20中的两第一梳状天线21相对布置的第二方向，其与介质基板40所在的平面相平行，也可以是接收天线阵列30中两第二梳状天线31相对布置的方向。坐标轴z表示为介质基板40的厚度方向，其中，坐标轴z、坐标轴y和坐标轴x中任意两者相互垂直，则水平面为xoz平面，俯仰面为yoz平面。
[0029]
基于上述方位定义，以下参照附图说明所例示的实施例，对上述雷达芯片10、发射天线阵列20和接收天线阵列30在介质基板40的相应位置形状尺寸及结构展开说明。且下面所采用的“上”、“下”、“顶”、“底”等表示方位或位置关系的名词，均相对于第三方向z而言。
[0030]
对于上述介质基板40，其可采用电磁特性稳定的高频微波板材，示例性地，该介质基板40可采用rogers(罗杰斯)ro3003(tm)板材制备。该板材在78ghz频段下的介电常数为3.16，该板材的厚度可为0.127mm，表面铜镀层的厚度设置为20μm。这样，有利于提高雷达在77ghz-81ghz频段下收发信号的稳定性。进一步地，介质基板40上设有接地金属框41，接地金属框41环绕发射天线阵列20和接收天线阵列30设置。通过接地金属框41引入接地点，可以减少与天线距离较近的其他雷达结构的耦合影响，进而提升天线辐射特性的稳定性。
[0031]
对于上述雷达芯片10，请结合图2一并参阅图1示出的示例。图2为图1中雷达芯片的发射端和接收端的示意图。雷达芯片10的发射端101处于介质基板40的下端，该发射端
101的数量为四个，依次为tx1、tx2、tx3和tx4端口。雷达芯片10的接收端102处于介质基板40的右端，该接收端102的数量也为四个，依次为rx1、rx2、rx3和rx4端口。可以理解的是，本发明实施例中对该雷达芯片10的结构不作具体限定，可根据不同的设计需求进行适应性调整。至于实际设计中如何选用不同结构的雷达芯片10，例如：两个发射端，四个接收端；三个发射端，四个接收端；四个发射端，六个接收端；四个发射口，八个接收端。则取决于对雷达分辨率，探测距离及探测视野等的具体要求。
[0032]
对于上述发射天线阵列20，如图1所示。发射天线阵列20包括第一梳状天线21以及与第一梳状天线21成正交布置的第二串馈天线32。
[0033]
具体而言，第一梳状天线21的数量为两个，两个第一梳状天线21均朝向介质基板40的右端，并且沿第二方向y，两个第一梳状天线21相对布置。其中，一第一梳状天线21处于介质基板40的上端，并与雷达芯片10的tx1端口连接。另一第一梳状天线21处于介质基板40的下端，并与雷达芯片10的tx2端口连接。进一步地，每一第一梳状天线21均包括两个梳状微带天线单元211，两个梳状微带天线单元211的馈电点至少部分重叠。换句话说，两个梳状微带天线单元211可连接于雷达芯片10的同一发射端101。
[0034]
第一串馈天线22的数量为两个，两个第一串馈天线22均朝向介质基板40的下端，并且沿第一方向x，两个第一串馈天线22相对布置。其中，一第一串馈天线22与另一第一梳状天线21相邻设置，并与雷达芯片10的tx3端口连接，另一第一串馈天线22处于一第一串馈天线22远离另一第一梳状天线21的一侧，并与雷达芯片10的tx4端口连接。进一步地，任一第一串馈天线22均包括两个串馈微带天线单元221，两个串馈微带天线单元221的馈电点至少部分重叠。换句话说，两个串馈微带天线单元221可连接于雷达芯片10的同一发射端101。
[0035]
对于上述接收天线阵列30，如图1所示。接收天线包括第二梳状天线31和第二串馈天线32。其中，第二梳状天线31与第一梳状天线21平行设置，第二串馈天线32和第一串馈天线22平行设置。
[0036]
具体而言，第二梳状天线31的数量为两个，两个第二串馈天线32均朝向介质基板40的右端，并且沿第二方向y，两个第二梳状天线31相对布置。其中，一第二梳状天线31与另一第一串馈天线22相邻设置，并与雷达的rx4端口连接，另一第二梳状天线31与第二串馈天线32相邻设置，并与雷达的rx3端口连接。
[0037]
第二串馈天线32的数量为两个，两个第二串馈天线32均朝向介质基板40的上端，并且沿第一方向x，两个第二串馈天线32相对布置。其中，一第二串馈天线32与另一第二梳状天线31相邻设置，并与雷达的rx2端口连接，另一第二串馈天线32与一第一梳状天线21相邻设置，并与雷达的rx1端口连接。
[0038]
在本发明实施例中，由于发射天线阵列20和接收天线阵列30中各存在四根天线，可根据实际设计需求将相应的毫米波雷达天线阵列设计为两维多输入多输出雷达天线阵列系统。例如，两个第一梳状天线21、两个第二梳状天线31和一第二串馈天线32在俯仰面yoz共同组成两输出三输入的第一虚拟稀疏阵列1a，从而提高在仰角(elevation)方向对探测目标角度的分辨率。一第一梳状天线21、两个第一串馈天线22和两个第二串馈天线32在水平面xoz共同组成三输出两输入的第二虚拟稀疏阵列1b，从而提高在方位角(azimuth)方向对探测目标角度的分辨率。应当说明的是，第一虚拟稀疏阵列1a和第二虚拟稀疏阵列1b均是指采用阵列稀疏技术处理的相控阵天线，阵列稀疏是指从规则排布的均匀相控阵中按
照一定比例剔除部分阵元，或者将这些阵元连接到匹配负载上，这样既可以减少阵列天线成本和重量，还可以获得与满阵排布相当的窄波束。当阵元均匀激励时，稀疏阵列天线可以获得比满阵布置更低的副瓣电平。
[0039]
其中，第一梳状天线21、第一串馈天线22、第二梳状天线31和第二串馈天线32中的各贴片单元均包括通过馈电微带线依次连接的多个贴片单元。贴片单元的极化方式可以为水平极化、垂直极化或圆极化，并在分布上采用泰勒分布降低天线布阵方向的波束的副瓣电平。可以理解的是，贴片单元的形状不做具体限定，其可以为长方形、圆形、三角形、五边形和行波。
[0040]
请一并参阅图3和图4示出的示例，图3为图1所示雷达中的发射天线阵列20和接收天线阵列30分布示意图，图4为图3中经过mimo并进行阵列稀疏后的等效布阵图。
[0041]
在本发明实施例所示的第一虚拟稀疏阵列1a中包括五个单向天线。其中，发射天线tx组包括两个第一梳状天线21。接收天线rx组包括两个第二梳状天线31和一个第二串馈天线32。以向量表示发射天线和接收天线的位置，向量元素为1或者0,1表示位置上有天线，0表示位置上无天线，任意相邻两个位置之间的间距为λ/2。其中，λ为天线波长。在俯仰面形成具有17阵元的第一虚拟稀疏阵列1a中：tx＝[1 1 0 0 0 0 0 0 1 1]，rx＝[1 0 0 0 1 0 0 1]，经过mimo(多入多出技术)后17阵元的第一虚拟稀疏阵列1a的等效布阵为[1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1]。
[0042]
在本发明实施例所示的第二虚拟稀疏阵列1b中包括五个单向天线。其中，发射天线tx组包括一个第一梳状天线21和两个第一串馈天线22。接收天线rx组包括两个第二串馈天线32。在水平面形成具有15阵元的第二虚拟稀疏阵列1b中：tx＝[1 0 0 0 0 1 0 0 1]，rx＝[1 0 0 0 0 0 1]，经过mimo(多入多出技术)后15阵元的第二虚拟稀疏阵列1b的等效布阵为[1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1]。
[0043]
以下通过仿真实验对本发明实施例提供的雷达中天线的各数据进行说明，图5为收发环路非相干合并方向图(水平：tx3&rx1环路，俯仰：tx1&rx3环路)。图6和图7分别为运用matlab综合的上述第一虚拟稀疏阵列e面虚拟阵阵因子归一化方向图和第二虚拟稀疏阵列e面虚拟阵阵因子归一化方向图。
[0044]
由图5可知，该雷达水平面和俯仰面两个方向环路方向图基本重合，最大增益为27db，增益下降12db后的角度为：水平视场角为70
°
，俯仰视场角为64
°
。对比图6和图7可知，水平面栅瓣位置出现在80
°
附近，而该雷达的水平fov为70
°
，栅瓣处于该雷达的水平视场角之外，故不会受到栅瓣的影响而引入虚假目标。俯仰面栅瓣位置出现在60
°
附近，而该雷达的俯仰视场角为64
°
，栅瓣存在引入虚假目标的风险，可通过算法进行一次解角模糊的过程，识别出栅瓣所带来的虚假目标。
[0045]
综上所述，本发明实施例提供的毫米波雷达采用串馈天线和梳状天线布局设计，在水平面和俯仰面分别形成虚拟稀疏阵列，使得该雷达在水平面和俯仰面均具备较高天线增益的同时，也具备较高的角度分辨率，相较于现有的毫米波雷达而言，该雷达的主瓣提升的同时旁瓣也降低，因此可改善现有毫米波雷达的旁瓣影响，进而提高该雷达的识别准确率。
[0046]
此外，串馈天线和梳状天线的结构相较于传统的矩形贴片微带天线而言减少了介质基板的使用面积，可有效满足无人飞行器对雷达体积、重量以及探测性能的要求。
[0047]
基于同一技术构思，本发明实施例还提供一种无人飞行器，该无人飞行器包括飞行器本体和上述实施例中所述的毫米波雷达，该毫米波雷达与飞行器本体连接。相较于现有采用摄像头结合视觉算法进行定位的无人飞行器而言，雷达探测及定位更加精准，受环境和外部因素影响小，从而可有效提升无人飞行器飞行和控制的智能化程度。
[0048]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。