一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器
阅读：777发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种毫米波宽 角 波束扫描雷达 传感器 ，包括依次连接的天线模 块 、射频收发模块、基带模块和上位机，所述天线模块包括宽波束收发天线阵列；该宽波束收发天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，该发射天线阵列和接收天线阵列均为基于天线单元排布的阵列；所述射频收发模块具有 本振 信号 混频功能；所述基带模块包括四选一 开关 。与 现有技术 相比，本实用新型具有宽频带、宽角扫描、探测范围大、探测 精度 准等优点。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器专利的具体信息内容。
1.一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，包括依次连接的天线模块、射频收发模块、基带模块和上位机，其特征在于，所述天线模块包括宽波束收发天线阵列；该宽波束收发天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，该发射天线阵列和接收天线阵列均为基于天线单元排布的阵列。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，其特征在于，所述天线单元包括贴片、地板和馈线，所述贴片设在地板上方；所述地板设有用于固定馈线H型槽；所述天线单元设有贯穿整体的过孔，该过孔与地板将贴片三面短路连接。
3.根据权利要求2所述的一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，其特征在于，所述发射天线阵列和接收天线阵列中各个天线单元的馈线相串联。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，其特征在于，所述雷达传感器扫描的角度为：E面波束宽度达±60°，H面波束宽度±45°。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，其特征在于，所述雷达传感器扫描的频率范围为22.7-24.1GHz。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，其特征在于，所述射频收发模块包括依次连接的信号源、四路接收机和中频放大器。
7.根据权利要求6所述的一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，其特征在于，所述信号源包括依次连接的锁相环芯片和发射芯片。
8.根据权利要求6所述的一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，其特征在于，所述四路接收机由两块双路接收芯片并行构成，该双路接收芯片为具有本振信号混频功能的芯片。
9.根据权利要求1所述的一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，其特征在于，所述基带模块包括依次连接的前端开关电路、模数转换电路和FPGA运算电路，所述前端开关电路设有合并四路信号的四选一开关。
10.根据权利要求9所述的一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，其特征在于，所述模数转换电路为具有超采样功能的芯片。
一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及雷达技术领域，尤其是涉及一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器。
背景技术
[0002] 随着5G通信技术、车联网技术的发展，高级驾驶辅助系统是利用安装于车上的各式各样的传感器，进行静、动态物体的辨识、侦测与追踪，从而能够让驾驶者在最快的时间察觉可能发生的危险，以引起注意和提高安全性的主动安全技术。K波段雷达在高级驾驶辅助系统中主要负责近距离探测。
[0003] 在微波毫米波雷达系统中，为了提高增益以提升整机性能，往往需要天线将能量集中到一个非常狭窄的空间辐射出去以提升方向性，因此需要用到阵列天线。由于阵列天线的波束宽度非常窄，因此要辅以波束扫描能力扩大探测范围。
[0005] 1)现有雷达传感器所使用的天线阵元的波束宽度较窄，难以同时实现宽角扫描与较高的增益；
[0008] 综上，现在的毫米波雷达传感器不能以较小的尺寸，实现宽带宽角扫描，因此传感器的探测范围和探测精度不足。
[0009] 公开号为CN102435981A的实用新型专利公开了一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，包括天线模块、射频模块、信号处理模块、外设模块和电源模块。信号处理模块的发射信号综合器、滤波放大与均衡模块与射频模块相连；射频模块的分路器与天线模块的发射控制器相连，多路混频器与接收控制器连接；显示与报警信号模块、数字信号处理器模块分别与外设模块相连。天线模块采用透镜和天线结合的方式，工作于77GHz毫米波频段，使得系统稳定性及灵敏度精度得到了可靠保证；信号处理模块保证了采样数据的准确性，有效提高了信号的动态范围；采用集成模块组件设计射频模块，实现接收天线的高精度测角及快速切换。
[0010] 该实用新型存在以下缺点：1、天线模块只能接收77GHz毫米波频段；2、天线模块采用透镜和天线结合的方式，占用体积大；3、信号处理模块电路复杂。实用新型内容
[0011] 本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器。
[0012] 本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0013] 一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，包括依次连接的天线模块、射频收发模块、基带模块和上位机，其特征在于，所述天线模块包括宽波束收发天线阵列；该宽波束收发天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，该发射天线阵列和接收天线阵列均为基于天线单元排布的阵列。
[0015] 进一步地，所述发射天线阵列和接收天线阵列中各个天线单元的馈线相串联。
[0016] 进一步地，所述雷达传感器扫描的角度为：E面波束宽度达±60°，H面波束宽度±45°。
[0017] 进一步地，所述雷达传感器扫描的频率范围为22.7-24.1GHz。
[0018] 进一步地，所述射频收发模块包括依次连接的信号源、四路接收机和中频放大器。
[0019] 进一步地，所述信号源包括依次连接的锁相环芯片和发射芯片。
[0020] 进一步地，所述四路接收机由两块双路接收芯片并行构成，该双路接收芯片为具有本振信号混频功能的芯片。
[0022] 进一步地，所述模数转换电路为具有超采样功能的芯片。
[0023] 与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
[0024] (1)本实用新型宽波束收发天线阵列基于天线单元进行阵列排布，形成等效磁偶极子结构，同时天线和馈电网络可以形成双谐振结构，具有宽频带、宽角扫描的优点。
[0025] (2)本实用新型毫米波宽角波束扫描雷达传感器实现了±60°的探测范围和频率范围为22.7-24.1GHz的宽带扫频.
[0026] (3)本实用新型射频收发电路采用零中频接收技术，前端开关电路采用了时分复用思想，通过四选一开关将四路接收信号合为一路，电路的复杂度和成本减小为原先的四分之一，大大减低了雷达传感器的体积。
[0027] (4)本实用新型毫米波宽角波束扫描雷达传感器中天线模块、射频收发模块和基带模块的配合，并基于超采样原理提升信噪比，实现了-132dBm的接收灵敏度和40m的最大探测距离，探测范围大、探测精度准。附图说明
[0028] 图1为本实用新型毫米波宽角波束扫描雷达传感器的结构示意图；
[0029] 图2为本实用新型天线单元的结构示意图；
[0030] 图3为本实用新型天线单元中馈线与H型槽的连接示意图；
[0031] 图4为本实用新型实施例的1×4发射天线阵列结构图；
[0032] 图5为本实用新型实施例的1×4发射天线阵列结构俯视图；
[0033] 图6为本实用新型实施例的1×4发射天线阵列结构仰视图；
[0034] 图7为本实用新型实施例的4×4接收天线阵列结构图；
[0035] 图8为本实用新型实施例的4×4接收天线阵列结构仰视图；
[0036] 图9为本实用新型实施例的天线S11参数示意图；
[0037] 图10为本实用新型实施例的1×4发射天线阵列E面方向图；
[0038] 图11为本实用新型实施例的1×4发射天线阵列H面方向图；
[0039] 图12为本实用新型实施例的4×4接收天线阵列E面0°方向图；
[0040] 图13为本实用新型实施例的4×4接收天线阵列E面20°方向图；
[0041] 图14为本实用新型实施例的4×4接收天线阵列E面－20°方向图；
[0042] 图15为本实用新型实施例的4×4接收天线阵列E面40°方向图；
[0043] 图16为本实用新型实施例的4×4接收天线阵列E面－40°方向图；
[0044] 图17为本实用新型实施例的4×4接收天线阵列E面60°方向图；
[0045] 图18为本实用新型实施例的4×4接收天线阵列E面－60°方向图；
[0046] 图19为本实用新型实施例的射频收发模块原理框图；
[0047] 图20为本实用新型实施例的基带模块原理框图；
[0048] 图21为本实用新型实施例远距离目标测试的场景示意图；
[0049] 图22为本实用新型实施例远距离目标测试的结果图；
[0050] 图23为本实用新型实施例近距离大角度目标测试的场景示意图；
[0051] 图24为本实用新型实施例近距离大角度目标测试的结果图；
[0052] 图25为本实用新型实施例单目标测速的结果图；
[0053] 图26为本实用新型实施例多目标测试的场景示意图；
[0054] 图27为本实用新型实施例多目标测试的结果图。
具体实施方式
[0055] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0056] 实施例1
[0057] 如图1所示，本实施提供一种毫米波宽角波束扫描雷达传感器，包括宽波束收发天线阵列、射频收发电路、基带电路和上位机。该雷达传感器使用高性能FMCW信号源输出的本振信号，其收发天线采用了一发四收的架构，收发天线利用等效磁流原理在K波段实现了±60°以上的波束宽度。天线接收的四路信号与本振信号混频后输出四路零中频信号，利用基于超采样原理的高速ADC对其中频信号进行采样之后，进入FPGA进行高速实时的计算。本实用新型毫米波宽角波束扫描雷达传感器实现了±60°的探测范围，并在电路规模锐减3/4的基础上，实现了-132dBm的接收灵敏度和40m的最大探测距离。接收机的灵敏度直接关系到整个系统的探测距离，一路接收机的接收最小信号按下式计算：Pmin＝kTBF其中，k＝1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数，T＝290K为噪声温度，B为系统的噪声带宽，F是接收机的噪声系数，系统的噪声经FFT后，均匀分散在各离散的FFT点上，每一个FFT频点的噪声带宽有以下关系：B＝1/ts，ts＝1ms为扫描周期，代入公式，得到系统的最小接收信号为-132dBm。
[0058] 相比已有的毫米波雷达传感器，本实用新型所述毫米波宽角波束扫描雷达传感器具有宽频带、宽角扫描、探测范围大、探测精度准等优点，可以满足车辆网、高级驾驶辅助系统中近距探测雷达的需求。
[0059] 下面对各模块进行详细描述：
[0060] 1、天线模块
[0061] 天线模块为宽波束收发天线阵列，本实施例天线模块采用单发四收的形式，即包括一个发射天线阵列和四个接收天线阵列，该发射天线阵列和接收天线阵列均基于天线单元进行阵列排布，
[0062] 如图2所示，天线单元由顶层的贴片(Patch)，开H型槽(H-shape shot)的地板(GND)，加载T型线终端的馈线(feedline)以及贯穿整体、设置在贴片三面的过孔(Vias)组成。地板用于电路接地。顶层的贴片被过孔和地板三面短路连接，贴片与地板形成一个半开放的腔体。如图3所示，馈线由地板上的H型槽引入并固定连接地板。图3中，各部件的尺寸分别为：
[0063] 贴片长宽l1为4.6mm，w1为2.6mm；
[0064] H型槽外围长宽l2为0.4mm，w2为1.7mm，H型槽中间横杠长宽l3为0.1mm，w3为1.3mm；
[0065] 馈线卡住H型槽的端部长宽l4为0.3mm，w4为1.9mm，馈线宽度l6为0.5mm；
[0066] H型槽中间横杠至馈线端部的距离l5为0.35mm；
[0067] 过孔半径r为0.1mm，相邻过孔圆心间距d为0.4mm。
[0068] 如图5和图6所示，发射天线阵列采用1×4的天线单元子阵，馈线网络采用串联馈线形式，进一步缩小H面的波束宽度，提高增益的同时拓展带宽。
[0069] 如图4所示，发射天线阵列的1×4的天线单元子阵中，所有天线单元的贴片均固定安装在贴片载板上，每个天线单元的贴片三面均设有透过贴片载板的过孔，并与地板连接，将贴片三面短路。贴片载板分为紧密连接的两层，本实施例中，上层材质为RO4350，下层材质为RO4450。发射天线阵列的馈线固定安装在馈线载板上，本实施例中，馈线载板的材质为RO4350。
[0070] 如图8所示，接收天线阵列在E面方向上，采用4个1×4的天线单元子阵，4个子阵以6mm为间距(d)排列，通过控制端口的相位实现各个角度的波束扫描效果。每个天线单元子阵的馈线网络采用串联馈线形式，分别输出为四路信号。
[0071] 如图7所示，接收天线阵列包含4个1×4的天线单元子阵，所有天线单元的贴片均固定安装在贴片载板上，每个天线单元的贴片三面均设有透过贴片载板的过孔，并与地板连接，将贴片三面短路。贴片载板分为紧密连接的两层，本实施例中，上层材质为RO4350，下层材质为RO4450。发射天线阵列的馈线固定安装在馈线载板上，本实施例中，馈线载板的材质为RO4350。
[0072] 如图9所示，发射天线阵列与接收天线阵列宽带扫频的频率范围为22.7-24.1GHz。
[0073] 本实施例中，可将天线的谐振点设计为24.1GHz，将馈电网络的谐振频点设计为23.5GHz，形成了双谐振构成宽带。
[0074] 发射天线阵列的E面方向、H面方向图分别如图10、11所示。接收天线阵列E面不同角度的方向图如图12-18所示。
[0075] 2、射频收发模块
[0076] 如图19所示，射频收发模块包括信号源、四路接收机和中频放大器(THS4524)。
[0077] 信号源设有依次连接的变频器、锁相环芯片(PLL ADF4158)、发射芯片(BGT24MTR11)和巴伦，用于产生在一定频率范围内扫频的连续锁相波。本实施例中采用的信号源为高性能FMCW信号源。
[0078] 四路接收机由两块双路接收芯片(BGT24MR2)并行构成，用于接收并处理四路信号，以获得四路零中频信号。四路零中频信号的获取具体为：分别采用本振信号与四路信号混频，得到四路零中频信号。
[0079] 中频放大器(前置中放，THS4524)用于放大四路零中频信号。
[0080] 运行时，射频收发模块的发射端：变频器产生信号(fref)依次进入锁相环芯片、发射芯片和巴伦后，得到发射信号(TxAnt)，送入发射天线阵列；
[0081] 射频收发模块的接收端：两个并行的双路接收芯片分别接受两组输入信号：RxAnt1、RxAnt2和RxAnt1、RxAnt1，以及一个由射频收发模块发射端产生并经过功率放大器放大的本振信号。接收芯片对分别采用本振信号与四路信号混频，得到四路零中频信号，然后，中频放大器放大四路零中频信号，最后将放大后的信号送到基带模块。
[0082] 3、基带模块
[0083] 基带模块包括依次连接的前端开关电路、模数转换电路、FPGA运算电路和协议转换芯片，前端开关电路包括全差分运算放大器和用于合并四路信号的四选一开关；模数转换电路基于超采样原理提升信号信噪比，并将模拟信号转换为数字信号；FPGA运算电路用于对数字信号进行运算，获取目标的距离、速度和角度信息，并经协议转换芯片传送给上位机。
[0085] 本实施例中，四选一开关采用两路双刀四掷开关(TMUX1109)，模数转换电路采用模数转换芯片(ADC，LTC2292)，FPGA运算电路采用FPGA(X7A35T)。
[0086] 运行时，放大后的四路零中频信号经两路双刀四掷开关合并为时分复用的一路正交差分信号(共4根线)送入全差分运算放大器(THS4552)进行差分放大。放大后的信号送入模数转换芯片转换成数字信号，得到的离散数据由FPGA读取并处理后经协议转换芯片(USB通信芯片，FT2232)转换为USB协议的数据包发送至上位机。
[0087] 4、上位机
[0088] 本实施例中，上位机接收USB协议的数据包，绘图显示出目标的距离、速度和角度信息；并通过通信控制射频电路、基带电路的运行状态。
[0089] 本实施例还设有对本实用新型毫米波宽角波束扫描雷达传感器的测试实验，包括如下：
[0090] 如图21和图22所示，为采用本实用新型雷达传感器探测远距离目标时的时域回波信号波形及处理后的测距结果，可以看到在35m至36m之间有一个较强的回波信号谱线，此时目标的距离大概在35m左右，在距离为19m的位置的回波信号为图中左侧墙面上空调外机的回波信号，其余的杂波为右侧绿化带等目标的回波。
[0091] 如图23和图24所示，为本实用新型雷达传感器探测近距离大角度目标时的时域回波信号波形及处理后的测距结果，可以看到当目标和雷达发射方向呈接近60°角度时，仍能在屏幕上观察到较大的目标回波，说明该雷达的探测范围可达±60°。
[0092] 如图25所示，为在本实用新型雷达传感器探测区域有人向后退行时的速度测量结果。上方两个绘图区域分别是扫频上升阶段和下降阶段的雷达时域回波信号，对两者分别FFT之后的信号绘制在下方的绘图区域，通过比较两次FFT后峰值的差值，可以换算得到目标的速度信息。
[0093] 如图26和图27所示，为本实用新型雷达传感器进行多目标测试的结果，目标分别是两个角反射器，其等效RCS为1m2左右。程序通过连续测量一段时间内目标的位置信息，并绘制成关于速度和时间的二维图像，以表征目标的运动轨迹信息。图中两根明亮的折线就是两个目标的距离随时间变化的轨迹，在31m处有一根平行于时间轴的直线，说明这个目标的距离不随时间变化而变化，这是由远处背景树丛的反射形成的。
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