[发明专利]一种基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线

说明书

近几年来，随着固态微波器件和微波集成电路的快速发展，毫米波检测和成像技术的应用需求日益迫切，特别是在自动驾驶、交通安检等领域。根据应用需求，W波段毫米波成像系统需要具备对待测目标高精度成像的能力。为了实现这个目的，这类系统需要配备数十个波长见方的的阵列孔径，从而满足系统所要求的窄波束。这会使得毫米波成像系统通道数众多，从而使得系统复杂度和硬成本均显著提高，同时对器件集成度以及封装工艺水平也有着更高的要求。本发明的阵列天线基于MIMO阵列的设计理念，利用有限的实体阵元产生规模极大的虚拟阵元，虚/实阵元的结合可以在显著减少天线单元和阵列通道数的同时保持同等指标的阵列方向图，该阵列天线使得毫米波成像系统具有大阵列孔径、窄波束宽度和高分辨精度，同时系统的硬件规模和整机成本均能得到有效的控制，在毫米波高精度成像系统中具有重要应用价值。

技术领域

本发明属于天线与微波领域，具体涉及一种基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线。

背景技术

近几年来，随着固态微波器件和微波集成电路的快速发展，毫米波检测和成像技术的应用需求日益迫切，特别是在自动驾驶、交通安检等领域。其中，工作于W波段的毫米波成像系统由于短波长和大带宽等因素具有重要应用前景。根据应用需求，W波段毫米波成像系统需要具备对待测目标高精度成像的能力。为了实现这个目的，这类系统需要配备数十个波长见方的的阵列孔径，从而满足系统所要求的窄波束。这会使得毫米波成像系统通道数众多，阵列规模可达几千个通道甚至更多，从而使得系统复杂度和硬成本均显著提高，同时对器件集成度以及封装工艺水平也有着更高的要求。作为一种替代方法，基于多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）阵列概念的虚拟阵列方法是一种可行的解决方案。这种设计方法可以在显著减少天线单元和阵列通道数的同时保持同等指标的阵列方向图。在虚拟阵列中，发射波束和接收波束是由收发分置的阵列单独产生。阵列双程方向图可以表达为发射方向图与接收方向图的乘积。收发双程方向图中的栅瓣可以通过调整优化收发阵列孔径构型来抑制。当发射波束的栅瓣与接收波束的零点调整到同一角度时，双程方向图的栅瓣即得到了抑制，反之亦然。

发明内容

W波段毫米波高精度成像系统为了形成窄波束，需要具备很大的阵列孔径，从而使得系统复杂度和整机成本显著提升。为保证在实现窄波束的前提下大幅降低阵列天线的通道数，本发明提出了一种基于虚拟阵元的大规模串馈微带阵列天线，其适用于W波段毫米波高精度成像系统，该阵列天线的核心内涵是通过MIMO设计理念产生远大于实体孔径的虚拟孔径，通过收发阵列构型的联合优化来抑制栅瓣。当发射波束的栅瓣（或零点）与接收波束的零点（或栅瓣）调整到同一角度时，收发双程方向图的栅瓣即得到了抑制。具体为：。

该阵列天线利用有限的实体阵元产生大规模的虚拟阵列，虚拟阵列包括发射通道（1）和接收通道（2）两部分，通过发射通道（1）的分时工作可以等效出第三部分虚拟接收通道（3），每个发射通道或接收通道均连接一个串馈微带贴片天线阵（4）；基于多入多出技术，发射通道（1）的n个发射链路分时工作以及接收通道（2）的m个接收链路同时工作，可以虚拟出n*m个接收通道的虚拟阵列。

本发明的有益效果在于：。

本发明的阵列天线基于MIMO阵列的设计理念，利用有限的实体阵元产生规模极大的虚拟阵元，虚/实阵元的结合可以在显著减少天线单元和阵列通道数的同时保持同等指标的阵列方向图，该阵列天线使得毫米波成像系统具有大阵列孔径、窄波束宽度和高分辨精度，同时系统的硬件规模和整机成本均能得到有效的控制，在毫米波高精度成像系统中具有重要应用价值。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明的布局示意图。

图3为本发明的叠层剖面示意图。

图4为本发明的发射方向图和接收方向图的仿真结果。

图5为本发明的收发双程方向图的仿真结果。