專利名稱：具有稀疏占據(jù)的單元陣列的天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陣列天線、具有這種天線的雷達(dá)系統(tǒng)、為這種天線產(chǎn)生單元布局的方法。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)(SAR)技術(shù)涉及大陣列的使用。每個(gè)個(gè)別陣列單元的相位和振幅都能夠被單獨(dú)控制。按照這個(gè)目的，一組如相位延時(shí)被編程在全部天線單元中，并且存儲(chǔ)測量結(jié)果值以進(jìn)一步處理。SAR方法的實(shí)力在于以下事實(shí)假設(shè)相位集合已經(jīng)足夠，任何類型的波束形式都能夠在過后被合成，即，使用特定類型的天線以特定波束模式重建會(huì)被測量到的數(shù)據(jù)。已經(jīng)發(fā)明的SAR允許雷達(dá)系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)而無須任何機(jī)械移動(dòng)部件并且能夠同時(shí)跟蹤幾個(gè)目標(biāo)。典型的SAR應(yīng)用所需要的天線單元的數(shù)量對(duì)于二維成像系統(tǒng)在從幾百到幾千的范圍內(nèi)。使用微波頻率，單個(gè)SAR單元成本不那么高并且微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳送和分配 (以及收集)是廉價(jià)的，而且對(duì)于所有類型的幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在著大量的低損失解決方案。在亞毫米雷達(dá)中情況完全不同對(duì)于亞毫米雷達(dá)，不存在廉價(jià)而高效地產(chǎn)生信號(hào)功率的方式，也不存在將功率高效地傳送到幾百個(gè)波長以外的方法(這些頻率的波導(dǎo)加工費(fèi)昂貴而且彎曲難以產(chǎn)生，電纜不起作用而微波傳輸帶/帶狀線/共面波導(dǎo)技術(shù)只能生產(chǎn)好的天線并且/或者具有高的損失，但是在IOOGHz以上它們都不是好的傳輸線)。EP 807 990 BI (The Boeing Cy)說明，在最新技術(shù)中公知的不規(guī)則陣列提供了解決在規(guī)則陣列中固有的柵瓣問題的方法，因?yàn)椴灰?guī)則陣列消除了單元位置的周期性。隨機(jī)陣列在最新技術(shù)中被稱為一種形式的不規(guī)則陣列。隨機(jī)陣列受限于其可預(yù)測地控制最糟糕情況下的旁瓣的能力。當(dāng)能夠控制陣列單元位置時(shí)，可以使用某算法確定單元放置的模式，以便將允許更加可預(yù)測地控制最糟糕情況下的旁瓣?，F(xiàn)有技術(shù)包含非規(guī)則間隔的線性陣列的許多實(shí)例，其中許多陣列是非冗余的，也就是說，任何給定單元對(duì)之間的間隔都不重復(fù)。非冗余性提供了關(guān)于控制柵瓣的陣列設(shè)計(jì)的最優(yōu)化程度。它還說明，設(shè)計(jì)非規(guī)則平面陣列的現(xiàn)有技術(shù)是非常特別的。在現(xiàn)有技術(shù)中似乎僅僅存在幾個(gè)非冗余平面陣列的簡單實(shí)例，其中或者存在著相對(duì)少量的單元或者存在極其簡單化的單元分布比如圍繞某圓周?，F(xiàn)有技術(shù)似乎沒有用于以受控方式定位在整個(gè)陣列孔徑(與只是圍繞周邊相反)上分布的任意數(shù)目的單元以確保非冗余性和圓對(duì)稱的非冗余平面陣列設(shè)計(jì)技術(shù)。它繼續(xù)提出了在寬頻率范圍上實(shí)質(zhì)上不存在柵瓣的平面陣列設(shè)計(jì)，其中可用的單元數(shù)目實(shí)質(zhì)上少于典型情況下以滿足半波長準(zhǔn)則的單元間的間隔來構(gòu)建規(guī)則(即等間隔單元)陣列所要求的數(shù)目，其中半波長準(zhǔn)則是為了避免源映射或投射波束中的柵瓣污染所要求的。做到的方式為提供檢測或發(fā)射單元(如麥克風(fēng)或天線)的平面陣列，檢測或發(fā)射單元在沿著一組一致的對(duì)數(shù)螺線的多種弧長和半徑上隔開，其中螺線組的成員圍繞起始點(diǎn)以均勻角度分開，在寬頻率范圍上比具有均勻分布單元的陣列(比如正方形或長方形網(wǎng)格)或隨機(jī)陣列具有更低的最糟糕情況下旁瓣和更好的柵瓣降低。所述陣列是圓對(duì)稱的并且當(dāng)存在著奇數(shù)個(gè)螺線時(shí)，該陣列是非冗余的。優(yōu)選的螺線說明書實(shí)施例將在形成等面積圓環(huán)域的幾何徑向中心的若干同心圓上的陣列單元的位置與半徑被獨(dú)立選擇的最內(nèi)同心圓上的位置結(jié)合，以便增強(qiáng)所述陣列對(duì)將被使用的最高頻率的性能。該陣列可用于相控陣電磁天線陣列。US 2007075889顯示了被安排為以更少天線單元運(yùn)行的毫米波全息成像裝備，從而大為降低成本。它涉及使用電磁波的合成成像，利用了被配置為發(fā)射200MHz與ITHz頻率之間電磁輻射的線性發(fā)射機(jī)陣列，以及被配置為接收來自所述發(fā)射機(jī)的反射信號(hào)的線性接收機(jī)陣列。這些接收機(jī)中的至少一個(gè)被配置為接收來自三個(gè)或更多發(fā)射機(jī)的反射信號(hào)，以及至少一個(gè)發(fā)射機(jī)被配置為向物體發(fā)射信號(hào)，物體的反射將由至少三個(gè)接收機(jī)接收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供替代陣列天線、具有這種天線的雷達(dá)系統(tǒng)、為這種天線產(chǎn)生單元布局的方法以及為執(zhí)行這種方法的對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)程序。根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了 天線，具有單元的一維或多維陣列，其中在至少部分陣列中的連續(xù)單元或單元組 之間的間隔是非周期的并對(duì)應(yīng)于單位間隔的一系列倍數(shù)，對(duì)于單元或單元組的至少四個(gè)或五個(gè)的倍數(shù)遵循斐波納契數(shù)列。這種間隔布局使得對(duì)于給定的分辨率測量，單元數(shù)量能夠被減少，同時(shí)仍然使得正在發(fā)射或接收的信號(hào)能夠在單個(gè)獨(dú)特方向上具有峰值從而形成波束。因此通過使用具有相當(dāng)大的波束形成能力的福射單兀，能夠使在芳辦中浪費(fèi)的功率保持為低，并且能夠使取決于單元數(shù)量的成本保持為低。另外的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于給定的分辨率和給定等級(jí)的旁瓣降低，能夠更高效地填充孔徑。原則上，對(duì)于給定數(shù)量的單元，與其他間隔布局相比，具有對(duì)應(yīng)于斐波納契數(shù)列的多個(gè)連續(xù)非周期間隔增加了任何兩個(gè)單元之間不同距離的數(shù)量。存在的不同距離越多，旁瓣降低得就將越好。不僅如此，原則上，對(duì)于給定數(shù)量單元，具有對(duì)應(yīng)于斐波納契數(shù)列的多個(gè)連續(xù)非周期間隔還能夠增加天線基線的長度?；€越長，目標(biāo)上的可能分辨率就越高。由此可見，對(duì)于給定的基線長度和給定等級(jí)的旁瓣，能夠減少所需要的單元的數(shù)量。尤其是在每個(gè)單元昂貴時(shí)，為了獲得更低的噪聲和更窄的波束形狀，有用的是能夠減少單元的數(shù)量并優(yōu)化每個(gè)單元，而不是使用具有大量單元的常規(guī)方案。減少輻射單元的數(shù)量允許使用更復(fù)雜的輻射單元。不僅如此，由于將有某些單元緊密地聚集在一起而有幾個(gè)則分得很開，使得在空間受限的應(yīng)用(比如負(fù)載空間或旅客空間或窗口必須不被擋住的車輛)中，與具有可比尺寸的更規(guī)則間隔陣列的情況相比，能夠更容易地為單元找到適宜的位置。本發(fā)明的其他方面包括具有這種用于發(fā)射或接收的天線的對(duì)應(yīng)雷達(dá)系統(tǒng)，以及制造所述天線的對(duì)應(yīng)方法，涉及為這種天線的單元產(chǎn)生布局。本發(fā)明的實(shí)施例能夠具有被加入的任何其他特征，某些這樣的附加特征在從屬權(quán)利要求中陳述并在以下更詳細(xì)地介紹。任何一個(gè)附加特征都能夠組合在一起并且能夠與任何一個(gè)方面進(jìn)行組合。其他優(yōu)點(diǎn)尤其是超過其他現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。能夠做出無數(shù)的變化和修改而不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求書。所以，應(yīng)當(dāng)清楚地理解，本發(fā)明的形式僅僅是展示性的并非力圖限制本發(fā)明的范圍。


現(xiàn)在將參考附圖舉例介紹如何可以實(shí)施本發(fā)明，其中圖I顯示了在一維陣列中具有天線單元的實(shí)施例；圖2至圖6顯示了天線響應(yīng)圖；圖7顯示了斐波納契數(shù)列實(shí)施例對(duì)于一維陣列中天線單元數(shù)量的稀疏程度圖；圖8顯示了二維斐波納契網(wǎng)格； 圖9和圖10顯示了導(dǎo)出斐波納契正方形平鋪的階段的示意圖；圖11顯示了稀疏程度對(duì)陣列尺寸的展示圖；圖12顯示了雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)施例；圖13顯示了車輛的實(shí)施例，具有劃分為車輛上的群集和附屬位置的天線單元的陣列。
具體實(shí)施例方式下面將關(guān)于特定實(shí)施例和參考一定的附圖介紹本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此而僅僅根據(jù)權(quán)利要求書來限定。所介紹的附圖僅僅是示意性的而不是限制。在附圖中，為了展示目的某些元件的尺寸可以被夸大并未按比例繪制。在本說明書和權(quán)利要求書中使用術(shù)語“包括”之處，它并不排除其他元件或步驟。指單數(shù)名詞時(shí)所用的如“某”、“所述”之處，這包括了該名詞的復(fù)數(shù)，除非明確地聲明了并非如此。在權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“包括”不應(yīng)當(dāng)被解釋為限于其后列出的裝置，它并不排除其他元件或步驟。因此，表達(dá)“包括裝置A和B的設(shè)備”的范圍不應(yīng)當(dāng)限于僅僅由組件A和B構(gòu)成的設(shè)備。它意味著關(guān)于本發(fā)明，僅和設(shè)備相關(guān)的組件是A和B。不僅如此，在說明書中和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語第一、第二、第三等是為了在類似元件之間進(jìn)行區(qū)分，而未必是用于說明順序或時(shí)間次序。應(yīng)當(dāng)理解，如此使用的這些術(shù)語在適當(dāng)情況下是可互換的，并且本文介紹的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以不同于本文介紹或展示的其他順序運(yùn)行。另外，在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語頂、底、之上、之下等是為了說明目的，而未必用于說明相對(duì)位置。應(yīng)當(dāng)理解，如此使用的這些術(shù)語在適當(dāng)情況下是可互換的，并且本文介紹的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以不同于本文介紹或展示的其他方位運(yùn)行。本說明書從始至終對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“某實(shí)施例”的引用意味著連同該實(shí)施例介紹的特定特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)或特征被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，本說明書從始至終在多處出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在某實(shí)施例中”未必都指同一實(shí)施例，而是可以如此。不僅如此，這些特定特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)或特征可以以任何適合的方式結(jié)合，正如在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中根據(jù)本公開對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的。同樣應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的示范實(shí)施例的說明中，為了簡化本公開和幫助理解一個(gè)或多個(gè)本發(fā)明不同方面的目的，在單個(gè)實(shí)施例、附圖或其說明中有時(shí)將本發(fā)明的多個(gè)特征組合在一起。不過，不應(yīng)當(dāng)將本公開的方法解釋為反映了所要求保護(hù)的發(fā)明要求比在每項(xiàng)權(quán)利要求中清楚陳述的特征更多特征的意圖。相反，正如以下權(quán)利要求書反映，本發(fā)明的若干方面處于少于單個(gè)前述公開的實(shí)施例中全部特征的狀態(tài)。因此，跟隨本詳細(xì)說明之后的權(quán)利要求書在此特別地合并到本詳細(xì)說明之中，其中每項(xiàng)權(quán)利要求都以其自身為根據(jù)作為本發(fā)明的單獨(dú)實(shí)施例。不僅如此，雖然本文介紹的某些實(shí)施例包括在其他實(shí)施例中包括的某些特征但不包括其他特征，但是不同實(shí)施例的特征結(jié)合意味著在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，并且形成了不同的實(shí)施例，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。例如，在以下權(quán)利要求書中，任何要求保護(hù)的實(shí)施例都能夠組合地使用。在本文提供的說明中，闡述了眾多特定細(xì)節(jié)。不過應(yīng)當(dāng)理解，沒有這些特定細(xì)節(jié)也可以實(shí)踐本發(fā)明的實(shí)施例。在其他實(shí)例中，為了不模糊對(duì)本說明的理解沒有詳細(xì)地顯示熟知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)。涉及的雷達(dá)能夠包含被動(dòng)的或主動(dòng)的系統(tǒng)，其中主動(dòng)意味著發(fā)射輻射以照亮景物并檢測從該景物反射的輻射的任何雷達(dá)系統(tǒng)。發(fā)射機(jī)原理上可以獨(dú)立于接收部件，如果該接收能夠通過檢測所述發(fā)射與該發(fā)射機(jī)鎖相的話。
“亞毫米雷達(dá)”意在通常包含使用大約IOOGHz以上頻率的任何雷達(dá)，并且在300GHz以上和3THz以下的更窄范圍內(nèi)將介紹若干實(shí)例，也稱為太拉赫茲雷達(dá)。這種雷達(dá)能夠被應(yīng)用在例如車輛的系統(tǒng)中，以及例如所公知的，應(yīng)用在建筑物中的安全或監(jiān)視系統(tǒng)中。涉及的單元之間的間隔意在包含物理單元之間的間隔以及基于規(guī)則在數(shù)學(xué)上合成的單元之間的間隔，或其他物理間隔，或者這種物理的和合成的單元的混合。涉及的車輛應(yīng)當(dāng)被廣義地解釋并且能夠指任何機(jī)器人、機(jī)器人車輛、自動(dòng)導(dǎo)向的車輛、道路車輛、船舶、飛行器等。對(duì)由某些實(shí)施例所解決的某些問題的介紹由于合成孔徑的基本方法是從目標(biāo)收集數(shù)據(jù)的最有效率的方式，具有根據(jù)先前測量的數(shù)據(jù)“憑經(jīng)驗(yàn)地”改進(jìn)分辨率的能力，所以關(guān)鍵問題是用多么少的天線單元仍然能夠?qū)崿F(xiàn)任何形式的SAR 什么類型的天線單元最合適？在何處放置這些天線單元？一般來說，陣列天線要求陣列單元的距離略小于波長的一半以便避免柵瓣。這樣的柵瓣引起使用這種天線發(fā)射的信號(hào)將具有波束傳播最多的幾個(gè)方向，并且當(dāng)用這種天線檢索信號(hào)時(shí)，存在著無法被分開的若干組方向。所以對(duì)于對(duì)目標(biāo)具有給定空間分辨率的天線，天線波瓣必須具有要在目標(biāo)上被分辨的維度的尺寸。這意味著該天線必須具有一定的孔徑尺寸，它也可以被稱為所述天線基線的長度。然后該天線波瓣的角寬度被給出了簡單圖形假設(shè)某點(diǎn)源在距離等于天線孔徑尺寸處。兩個(gè)源按同相輻射。觀察主波瓣的方向(垂直于所述兩個(gè)源之間的連線)，兩個(gè)源的信號(hào)在主波瓣的方向被相加。天線波瓣第一次變?yōu)榱愕目臻g角度決定于使得觀察點(diǎn)與所述點(diǎn)源之間的距離差變成等于半波長的角度。兩個(gè)要求在一起產(chǎn)生了天線單元的巨大數(shù)目，因?yàn)檎麄€(gè)孔徑必須以天線單元來覆
至JHL ο但是后一點(diǎn)事實(shí)上不正確，以下將更詳細(xì)地介紹?，F(xiàn)在將總結(jié)對(duì)這個(gè)問題的一般解決方案。作為解決這些問題的出發(fā)點(diǎn)，先考慮一維的情況。暫時(shí)只有橫向分辨率重要。假設(shè)某信號(hào)源位于離開接收天線陣列的某距離之處。人們?nèi)绾文軌蛭ㄒ坏卮_定這個(gè)源在何處？以完整孔徑尺寸進(jìn)行測量，讀出兩個(gè)到達(dá)信號(hào)之間的相位。注意，人們僅僅測出了以2π(360° )整除后的余數(shù)。所以這條相位信息產(chǎn)生了所述源可能被放置的一組方向。每個(gè)方向都是通過假設(shè)在測量天線單元之間丟失整數(shù)個(gè)全波而得到。如果人們將這個(gè)測量結(jié)果與用在不同分開距離的兩個(gè)其他天線單元獲取的另一個(gè)測量結(jié)果相結(jié)合，如果新天線對(duì)之間的距離被選擇為不同于第一個(gè)距離的話，人們就能夠有效地排除大多數(shù)方向。因此通過具有能夠使用放置在所有可能距離處的天線對(duì)測量相位距離的系統(tǒng)，能夠排除所有多個(gè)方向的可能性。選擇兩個(gè)天線單元之間的最短距離(這個(gè)距離必須為半波長的量級(jí))，沿著某線以不規(guī)則形式設(shè)置這些天線單元，其中總存在著一對(duì)天線單元其距離等于可用于測量的最短距離的任何整數(shù)倍。因此這等效于解決了創(chuàng)建測量棒的數(shù)學(xué)問題，在該測量棒上所有可能的距離都能夠以描繪在上面的最少量的測量記號(hào)來測量。圖I介紹某些實(shí)施例的特征對(duì)于這個(gè)問題存在著由斐波納契數(shù)列給出的答案。缺點(diǎn)是對(duì)照平常棒，最長可測距離由所述棒的長度給出，而斐波納契棒長于所述平常棒。 斐波納契數(shù)列的元素由簡單的規(guī)則給出數(shù)列的下一個(gè)元素由兩個(gè)先前元素的和給出。開始點(diǎn)是數(shù)列{1，I}。第一個(gè)元素被放在原點(diǎn)而數(shù)列中的另一個(gè)元素具有該單位間隔給出的間隔距離。對(duì)于開始的情況，這意味著三個(gè)天線單元具有距離I。下一個(gè)元素是{1，1，2}，引起先前天線三元組在距離2添增了第四個(gè)單元。具有四個(gè)元素的數(shù)列是{1，1，2,3}而具有五個(gè)元素的是{1，1，2，3，5}。最后一個(gè)數(shù)列已經(jīng)允許除9以外在I與12之間全部距離的測量。對(duì)于一維陣列，這些間隔的實(shí)例顯示在圖I中。單個(gè)的和隔離的間隙不是真的重要而是對(duì)增加旁瓣噪聲起作用。另一方面，覆蓋尺寸為12的陣列僅僅需要6個(gè)單元。第六個(gè)元素產(chǎn)生了數(shù)列{1，1，2，3，5，8}，它允許測量附加值[13，16，18，19，20](而不是9，14，15，17)。原則上不需要對(duì)嚴(yán)格連續(xù)的單元應(yīng)用斐波納契模式，但是這種純粹順序的斐波納契模式將用最少的單元提供最佳分辨率。所以存在著若干替代實(shí)施例，其中斐波納契數(shù)列被中斷而不是嚴(yán)格地按“連續(xù)的”元素，比如每個(gè)斐波納契間隔被每隔一個(gè)間隔地應(yīng)用，像這樣{1，1，2，1，3，1，5，1，8，1，13. . .}。這可以被視為將斐波納契間隔應(yīng)用到這些單元的連續(xù)組的實(shí)例，其中所述組是具有單位間隔的一對(duì)單元，盡管原則上所述組可以更大或者在所述組內(nèi)具有其他規(guī)則或不規(guī)則的間隔。遜于最優(yōu)實(shí)例的其他替代實(shí)例可以包括使某些斐波納契間隔移動(dòng)到初始單位間隔的另一側(cè)，例如{8，3，1，1，2，5，13...}。使某些間隔在別處將趨于降低以輻射單元數(shù)目所算出的分辨效率以及減小在目標(biāo)處的分辨率，因?yàn)樵趩卧g的距離組中引入了某些冗余。對(duì)斐波納契間隔的引用還能夠包含能夠被構(gòu)想出的其他斐波納契式的間隔，并且與規(guī)則間隔相比，在增加在任何兩個(gè)單元之間不同距離的數(shù)目方面它們能夠產(chǎn)生某些益處。能夠構(gòu)想其他實(shí)例或這些實(shí)例的組合，并且能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到以下介紹的二維網(wǎng)格或陣列，或者兩個(gè)維度之一或者兩個(gè)維度都用。斐波納契數(shù)列需要兩個(gè)起始參數(shù)(在最簡單情況下是I和I)從而僅僅對(duì)第三個(gè)元素2才有意義，所以這將是給出均勻分隔與不規(guī)則分隔陣列之間區(qū)別的最小單元數(shù)目。斐波納契數(shù)列用第四個(gè)元素3變得更可識(shí)別。在某些遜于最優(yōu)的實(shí)例中，可以為至少50%或至少70%的單元提供斐波納契間隔。在信號(hào)高效率不重要時(shí)，在不太需要SAR應(yīng)用時(shí)，或者在期望每個(gè)輻射單元具有充足的空間時(shí)，或者在提供幾百個(gè)或幾千個(gè)輻射單元的成本令人望而卻步時(shí)，天線基線僅僅需要以輻射單元稀疏地填充。實(shí)施例能夠以盡可能少的單元實(shí)現(xiàn)盡可能多的正交數(shù)據(jù)的測量結(jié)果，因?yàn)槟軌蚴垢鱾€(gè)單元最優(yōu)化而產(chǎn)生更低噪聲和更好的先驗(yàn)天線模式。這對(duì)于使用多個(gè)(如> 100)相位耦合單元降低噪聲不可能或不實(shí)際的應(yīng)用是有用的。本發(fā)明的某些實(shí)施例具有帶有兩個(gè)主軸的二維陣列，沿著至少一個(gè)主軸出現(xiàn)該序列所對(duì)應(yīng)的間隔。可以沿著兩個(gè)主軸都出現(xiàn)該序列所對(duì)應(yīng)的間隔，以給出斐波納契網(wǎng)格。單位間隔可以選擇為2的平方根乘以半波長。這使得大多數(shù)稀疏占據(jù)的方向能夠具有至少半波長的間隔，從而避免柵瓣而不會(huì)太多地縮短單位間隔。天線的某些實(shí)施例可以具有二維陣列，其中沿著遵循螺線的某線出現(xiàn)該序列所對(duì)應(yīng)的間隔。這也能夠有助于避免使若干方向跨越比其他陣列更稀疏占據(jù)的陣列。最根本的 是，使陣列排列為二維斐波納契數(shù)列正方形平鋪的實(shí)施例能夠在稀疏度與避免不同方向的稀疏度不均勻之間提供最佳的折衷，同時(shí)具有最少數(shù)目的單元。其他實(shí)施例能夠具有一維陣列，其中沿著該陣列出現(xiàn)該序列所對(duì)應(yīng)的間隔。某些實(shí)施例被安排為適合用于亞毫米波長的信號(hào)。某些具有的孔徑在120毫米到1200毫米的范圍，盡管在200毫米到800毫米的范圍內(nèi)這些影響很可能更大，并且某些應(yīng)用將適合400毫米加減50毫米的范圍。某些實(shí)施例涉及亞毫米的雷達(dá)系統(tǒng)，它具有以上討論的任一實(shí)施例的天線作為發(fā)射天線或作為接收天線。該雷達(dá)系統(tǒng)可以合并在車輛中。某些實(shí)施例涉及制造天線的方法，該方法具有通過下列方式確定天線的單元間隔的初始步驟，以形成一維或多維單元陣列，所述方式為根據(jù)期望的波長確定單位間隔，以及確定至少部分陣列的連續(xù)單元之間的間隔為非周期的并對(duì)應(yīng)于單位間隔的一系列倍數(shù)，所述倍數(shù)遵循斐波納契數(shù)列。斐波納契陣列的缺點(diǎn)在于以下事實(shí)與充滿的陣列相比，從信號(hào)收到的功率總量降低了等于填充系數(shù)的系數(shù)。另一方面，通過將這些更少的接收單元改進(jìn)到最優(yōu)能夠更智能地使用資源。對(duì)于具有規(guī)則單元間隔的一般SAR雷達(dá)，這些天線單元被保持得非常簡單且具有非常寬的單元輻射波瓣。在本發(fā)明的實(shí)施例中，對(duì)于接收天線人們能夠改為使用具有合理窄波瓣的單元以便更高效地捕獲照明信號(hào)，因?yàn)樵撜彰餍盘?hào)不得不僅由非常少的天線單元來檢測。圖2至圖6,天線響應(yīng)樽式用例如400個(gè)天線單元以四分之一波長規(guī)則間隔放置來設(shè)置傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)，給出了在10000個(gè)波長距離處的結(jié)果天線響應(yīng)，正如圖2中給出。這幅圖形顯示了每個(gè)天線在10000個(gè)波長距離處放置的目標(biāo)上的信號(hào)強(qiáng)度。由僅有14個(gè)(而不是400個(gè))單元的斐波納契間隔的雷達(dá)系統(tǒng)能夠達(dá)到相同的分辨率，這些單元在斐波納契距離乘以四分之一波長的單位間隔放置。圖3顯示了在10000個(gè)波長距離處的結(jié)果天線響應(yīng)模式。斐波納契雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)的物理(孔徑)尺寸一致。在兩種情況下天線模式的3dB峰值寬度相同。對(duì)于O. 5波長的單位間隔的布局獲得了類似的圖形。這是傳統(tǒng)陣列布局避免旁瓣的最大絕對(duì)值(參考圖4和圖5)。圖6顯示了使用與斐波納契情況相同數(shù)目天線單元的傳統(tǒng)等距雷達(dá)的結(jié)果，用于對(duì)比。圖4顯示了在O. 25波長距離的等距間隔的雷達(dá)天線單元的天線響應(yīng)模式。該附圖顯示了在10000個(gè)波長距離處放置的目標(biāo)上每個(gè)天線的信號(hào)強(qiáng)度。由于條件不同，這些圖不同于圖2，并且這些圖涉及每個(gè)被使用的輻射單元的信號(hào)強(qiáng)度而不是總的信號(hào)強(qiáng)度。圖5顯示了使用16個(gè)天線單元具有O. 25波長基本距離的雷達(dá)系統(tǒng)的基于斐波納契數(shù)列的天線布局的天線響應(yīng)模式。該圖顯示了在10000個(gè)波長距離處放置的目標(biāo)上每個(gè)單元的信號(hào)強(qiáng)度。該圖顯示了在中心線處的單峰。圖6顯示了使用與斐波納契系統(tǒng)相同數(shù)量的天線單元的等距雷達(dá)天線的天線響應(yīng)模式。該圖顯示了在10000個(gè)波長距離處放置的目標(biāo)上每個(gè)天線的信號(hào)強(qiáng)度。綜上所述，以僅僅一小部分?jǐn)?shù)量的天線單元實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)SAR雷達(dá)中相同的分辨率是可行的。缺點(diǎn)當(dāng)然是這種雷達(dá)系統(tǒng)的采樣面積與使用的天線單元的數(shù)量成比例。使用這 樣的系統(tǒng)，其中源和接收器都稀少并且不同天線單元必須由波束分離而產(chǎn)生，斐波納契系統(tǒng)的效率高于在傳統(tǒng)的情況下。本機(jī)振蕩器的功率使用被大幅度地改進(jìn)。但是如同所指出的那樣，信號(hào)水平較低。圖7，所需天線單元的分?jǐn)?shù)原則上能夠節(jié)省多少天線單元？根據(jù)比奈等式，通過閉合形式的表達(dá)式能夠獲得斐波納契數(shù)列的這些元素
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Τ7 — __J_L_二_
n_S對(duì)于長度為Fn的滿陣，需要Fn個(gè)天線單元。對(duì)于對(duì)應(yīng)的斐波納契陣列，僅僅需要η個(gè)天線單元。所以圖7顯示了所需要的天線單元的分?jǐn)?shù)作為陣列長度(以滿陣情況天線單元的數(shù)量)的函數(shù)。它顯示了與完全占據(jù)陣列相比用于一維斐波納契天線的陣列稀疏度圖。注意圖7并假設(shè)具有100個(gè)天線單元的滿陣，達(dá)到了稍微小于O. I的稀疏度，意味著在斐波納契陣列中使用的天線單元少于10個(gè)。研究二維的情況，有兩種解決方案，網(wǎng)格和平鋪，正如現(xiàn)在將解釋圖8, 二維斐波納契網(wǎng)格這是通過假設(shè)二維平面導(dǎo)出的，其中斐波納契數(shù)列的數(shù)列元素(乘以給定的基本距離)被標(biāo)記在軸上。這對(duì)應(yīng)于一維的情況?，F(xiàn)在X和y坐標(biāo)值的全部點(diǎn)都是斐波納契數(shù)列的數(shù)列元素。這引起了給定區(qū)域被適合的最大斐波納契數(shù)字的乘積所占據(jù)的方案。這樣的陣列結(jié)構(gòu)經(jīng)歷某種擴(kuò)散沿著不平行于坐標(biāo)軸的直線，在天線位置近旁的距離往往大于坐標(biāo)軸上的距離。沿著坐標(biāo)軸在最大距離放置天線單元，那么沿著更稀疏占據(jù)的所有距離將存在著柵瓣。當(dāng)天線單元之間的間隔被選為半波長的O. 707 (2的平方根)倍時(shí)斐波納契網(wǎng)格是非常好的解決方案。此時(shí)，即使最稀疏占據(jù)的方向(處于45度)也將不會(huì)顯示柵瓣。這樣的陣列顯示在圖8中。沿著坐標(biāo)軸的天線地點(diǎn)為暗灰色，更黑的位置顯示了附加的點(diǎn)，其中已經(jīng)放置了天線單元。沿著一側(cè)的Fn個(gè)天線單元的傳統(tǒng)滿二維陣列現(xiàn)在需要(Fn+1)2個(gè)天線，而斐波納契二維陣列僅僅需要(n+1)2個(gè)天線單元。節(jié)省的天線單元數(shù)量作為否則滿(方)陣中需要的天線單元數(shù)量的函數(shù)顯示在圖11上方的點(diǎn)線中。不過還存在著在二維情況下放置這些天線單元的甚至更好的方式，除更經(jīng)濟(jì)外不顯示出擴(kuò)散效應(yīng)。圖9和圖10，二維斐波納契[H方形平鋪圖9顯示了按照一連串通過添加不同尺寸的正方形所產(chǎn)生的模式的推導(dǎo)視圖。圖10顯示了類似連串的視圖，展示了在這些正方形角上的天線單元的位置，使得每個(gè)正方形都形成了一組單元的實(shí)例。在兩種情況下，接合這些正方形中心的線都遵循某螺旋形路徑。正如在斐波納契一維陣列的情況下，所述推導(dǎo)以斐波納契數(shù)列的第一個(gè)元素(即I)開始?，F(xiàn)在在具有這個(gè)單位邊長的正方形中在原點(diǎn)處安排一組單元，該正方形平鋪應(yīng)當(dāng)在該原點(diǎn)開始。作為下一步，第二組單元被放置在斐波納契數(shù)列的第二個(gè)數(shù)(還是I)所對(duì)應(yīng)的間隔處。這意味著將具有這個(gè)單位邊長的正方形放置在第一個(gè)正方形的旁邊。形成尺寸為2X1 的矩形。下一步沿著該矩形較長的邊放置具有由第三個(gè)數(shù)列元素(即2)給出邊長的正方形。由于這個(gè)較長邊是由先前兩個(gè)斐波納契元素相加的長度組成，所以要添加的單元將總是適合這個(gè)地方。該陣列將永遠(yuǎn)是矩形(對(duì)于第η步，它將具有Fn和Flri的邊長)。沿著一側(cè)FnXFlri個(gè)天線單元的傳統(tǒng)滿二維矩形陣列同樣需要(Fn+1) (F^+l)2個(gè)天線單元，如同先前情形。斐波納契正方形平鋪第一步需要4個(gè)天線單元，然后每次迭代再多兩個(gè)，這產(chǎn)生了 2+2n個(gè)，而斐波納契二維陣列仍然需要(n+1)2個(gè)天線單元。斐波納契平鋪節(jié)省的天線單元數(shù)量作為否則滿(方)陣中需要的天線單元數(shù)量的函數(shù)，顯示為圖11下方的點(diǎn)線。它顯示了所占據(jù)的天線單元數(shù)量與相同尺寸的滿矩形陣列中天線單元數(shù)量成比例。以目標(biāo)上一定分辨率的要求，衍射對(duì)必須用發(fā)射或接收單元覆蓋的孔徑尺寸設(shè)置下限。應(yīng)當(dāng)避免柵瓣以確保唯一方向的分辨率。每當(dāng)天線單元之間的距離超過半波長時(shí)就出現(xiàn)柵瓣。所以傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)包括了填充整個(gè)孔徑表面的非常大量的天線單元。對(duì)于車載應(yīng)用，目標(biāo)上的分辨率暗示400毫米區(qū)間的孔徑尺寸。使用超過300GHz的頻率，波長是I毫米。所以傳統(tǒng)的SAR雷達(dá)將不得不使用多于400X400個(gè)天線單元以滿足所有的需求。由于驚人的昂貴和笨重，無法在車輛上實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)。使用斐波納契平鋪，使用42個(gè)天線單元就能夠獲得目標(biāo)上相同的分辨率。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，空間需求(O. 5毫米的距離)暗示只能使用原始的天線單元。這些天線的天線增益非常低(< IOdB)。使用斐波納契平鋪，這些天線單元之間存在著大得多的空間，所以能夠使用結(jié)構(gòu)上更大的天線單元，其天線增益超過30dB。使用增益比所述SAR單元大35dB的天線單元，所采集的信號(hào)強(qiáng)度與傳統(tǒng)的滿陣SAR雷達(dá)一致。斐波納契一維陣列和二維平鋪是采集孔徑上一切獨(dú)立信息的最佳方式。使用比斐波納契一維陣列或斐波納契二維平鋪更少的天線單元而完全覆蓋相位和振幅信息是不可能的。斐波納契二維平鋪是在半波長距離處放置這些陣列單元時(shí)沒有擴(kuò)散(即在一定的方向上的柵瓣)的唯一二維陣列。在滿陣中，天線單元的尺寸必須不超過大約是半波長的天線間隔。所以只能使用低效率的小天線單元。利用斐波納契方案只需要非常少的天線單元。所以，該陣列被非常稀疏地占據(jù)，給出了使用高效率天線單元的空間，其中一個(gè)天線單元在尺寸上可以是幾個(gè)波長。使用斐波納契方案時(shí)節(jié)省的天線單元數(shù)量是巨大的。注意，這些陣列與完全滿陣具有相同的空間分辨率。信號(hào)采集面積(即全部天線單元采集尺寸之和)恰恰是比SAR陣列小的天線節(jié)省系數(shù)。但是由于只需要非常有限數(shù)量的天線單元，所以能夠使用采集面積大得多和效率高得多的天線單元。這對(duì)于亞毫米波長的應(yīng)用尤其有用，因?yàn)榻邮諜C(jī)電子裝備如此昂貴使得這樣的電子裝備的所需份數(shù)為主要成本的驅(qū)動(dòng)者。因此，可以使用更多的精心制作天線單元，具有高得多的波束效率，并且創(chuàng)建大于滿陣物理尺寸的凈采集面積。能夠在亞毫米波長上具備形成波束能力的這些單元的適宜形式例如是，如號(hào)角式天線、波紋號(hào)角式天線、微反射器天線或者號(hào)角式與電介質(zhì)透鏡的結(jié)合。使用這些天線形式，考慮到非常稀疏陣列中每個(gè)單元尺寸不再被限制為半波長，對(duì)于給定單元尺寸能夠達(dá)到可獲得的最佳波束形成。此概念類似射電天文學(xué)中的VLBI (超長基線干涉量度 法)方式。此時(shí)人們無法選擇參與觀察臺(tái)的位置，而不得不從使用可能的最好天線所取得的相干數(shù)據(jù)“獲得最大功效”。參考文獻(xiàn)對(duì)于THz號(hào)角式天線，參見例如http://WWW.virginiadiodes. com/+ISSTT proceedings (自從 1997 年為年刊)。關(guān)于 VLBI 參見例如http://www. evlbi. org/。圖12和圖13,系統(tǒng)視12顯示的雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)例具有由本地振蕩器100饋入的發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)器85所驅(qū)動(dòng)的發(fā)射天線80。若干發(fā)射照明對(duì)象70而反射由接收天線90接收。這饋入接收器電路95，它又饋入解調(diào)器110。這能夠利用本地振蕩器信號(hào)，它與用于發(fā)射機(jī)的振蕩器有關(guān)或者是獨(dú)立的。這些部件85和95能夠使用常規(guī)的電路操縱相位和振幅，并且處理這些成分以進(jìn)行調(diào)制或解調(diào)，以適于所使用的特定天線單元間隔。天線單元平鋪的位置可以橫越車輛比如小汽車展布，圖13顯示了某實(shí)例。該圖顯示了小汽車30、間隔緊密的群集單元40和若干空間相隔更遠(yuǎn)的單元20。斐波納契平鋪天線單元被沿著以上討論的平鋪正方形的角落放置。取決于基礎(chǔ)長度的比例(這里例如是O. 4毫米)以及取決于天線生產(chǎn)技術(shù)，可以將這些天線單元?jiǎng)澐譃閮深惢蚋囝惱鐖D13所示的群集部分以及一個(gè)或多個(gè)附屬部分。群集部分圍繞著斐波納契重復(fù)開始的點(diǎn)。這里有彼此非常接近放置的天線單元。使用對(duì)所有天線單元的公共透鏡能夠?qū)⑶?到20個(gè)天線單元聯(lián)合在一個(gè)單基片上。剩余的天線單元形成若干附屬部分。這些部件離所述群集單元比較遠(yuǎn)，并且這些個(gè)別的天線單元能夠隨意地被放置在車輛上。例如使用光纖就將完成與這些附屬部分的互動(dòng)和數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)樵陔姎忸I(lǐng)域中不可能將THz信號(hào)傳輸這么遠(yuǎn)而沒有重大損失。取決于天線的實(shí)際類型和頻率，這些天線單元的或小或大的部分都可以是該群集的一部分。由于隨著斐波納契數(shù)字的增大離該群集的距離也增加，孔徑區(qū)域的大部分實(shí)質(zhì)上是空的。這能夠便利這些天線單元放置在車輛上，其中大量的區(qū)域無法用作天線單元的位置。與滿陣的情況相比，只要在兩種情況下都使用了同樣的天線單元，在斐波納契陣列中信噪比差得多。在傳統(tǒng)的滿陣中，天線類型選擇主要根據(jù)低成本和根據(jù)非常小的天線外部維度而確定。斐波納契陣列是稀疏的所以使用了更有效的天線單元。使用這些單元能夠以巨大的成本降低使信噪比與滿陣的情況在相同水平。
目標(biāo)上的空間分辨率不受影響。與滿陣波束相比，存在著由斐波納契波束的更高側(cè)翼所導(dǎo)致的輕微不利影響，這降低了所獲得圖像的對(duì)比度。由于這些波束的側(cè)翼更大，所以在雨雪衰減上的積分包括更大面積，有效降低雨雪衰減的影響。最終，以上的對(duì)比度損失由增強(qiáng)的雨雪能力所平衡。應(yīng)當(dāng)注意，(給定基本單元距離的)任何二維陣列包含所有的斐波納契數(shù)字乘以關(guān)于任意入射方向被投影時(shí)的特征長度所對(duì)應(yīng)的全部距離。那么投影的特征長度由關(guān)于入射方向(由二維陣列上的第一種子正方形在兩個(gè)坐標(biāo)方向上給出的)特征長度向量的更長的投影給出。所以二維陣列對(duì)于一切入射方向都具有與一維陣列相同的重建特性。根據(jù)這點(diǎn)能夠?qū)С鲈S多命題a):引用一維陣列與喪失一般性沒有關(guān)聯(lián)，因?yàn)檎鐒e處所提及，當(dāng)按照給定的到達(dá)方向投影時(shí)任何二維陣列都表現(xiàn)為一維陣列。
b):一維陣列用作提取位于包含該一維陣列基線的平面內(nèi)的目標(biāo)方向的工具，因?yàn)槲覀兊玫搅嗽试S求解方向矢量的全部所需要的相位差測量結(jié)果。當(dāng)且僅當(dāng)關(guān)于到達(dá)矢量方向的一維陣列基本正方形尺寸的投影小于半波長時(shí)，這個(gè)解是唯一的。c):因此，二維陣列僅僅是一維陣列的擴(kuò)展，其中在三維中的任意方向需要目標(biāo)方向的提取，當(dāng)且僅當(dāng)關(guān)于到達(dá)矢量方向的一維陣列基本正方形尺寸的投影小于半波長時(shí)，產(chǎn)生唯一的解。還值得指出的是I :二維陣列應(yīng)當(dāng)具有至少7個(gè)天線或天線組以確保給出與周期陣列可比的明顯結(jié)果，而一維陣列能夠具有至少4個(gè)天線或天線組。2:對(duì)于給定頻率(從而波長)，只有當(dāng)種子正方形(二維陣列)[種子線(一維陣列)]的基本長度必須小于半波長(為投影上可能的最長基線)時(shí)，方向的檢索才產(chǎn)生唯一解，對(duì)于避免陣列中的柵瓣這是已知的規(guī)則。在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)能夠想象其他變化。
權(quán)利要求
1.一種天線(80、90)，具有單元(20、40)的一維或多維陣列，其中，至少部分所述陣列中的連續(xù)單元或單元組之間的間隔是非周期的并對(duì)應(yīng)于單位間隔的一系列倍數(shù)，其中，至少五個(gè)所述連續(xù)單元或單元組的倍數(shù)遵循斐波納契數(shù)列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的天線，至少一些所述單元具有亞毫米波長的波束形成能力。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的天線，至少一些所述單元具有大于所述單位間隔的維度。
4.根據(jù)任何一個(gè)前面的權(quán)利要求的天線，具有帶有兩個(gè)主軸的二維陣列，并且對(duì)應(yīng)于所述數(shù)列的所述間隔沿著至少一個(gè)所述主軸出現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的天線，其中，對(duì)應(yīng)于所述數(shù)列的所述間隔沿著兩個(gè)所述主軸都出現(xiàn)。
6.根據(jù)任何一個(gè)前面的權(quán)利要求的天線，其中，所述單位間隔被選擇為2的平方根分 之一乘以半波長。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任何一個(gè)的天線，具有二維陣列并且其中對(duì)應(yīng)于所述數(shù)列的所述間隔沿著遵循螺旋的線出現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的天線，被安排為二維斐波納契正方形平鋪。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任何一個(gè)的天線，具有一維陣列并且其中對(duì)應(yīng)于所述數(shù)列的所述間隔沿著所述陣列出現(xiàn)。
10.根據(jù)任何一個(gè)前面的權(quán)利要求的天線，被安排為適合用于亞毫米波長的信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的天線，被安排為具有200至800毫米范圍內(nèi)的孔徑。
12.—種亞毫米雷達(dá)系統(tǒng)(20)，具有根據(jù)任何一個(gè)前面的權(quán)利要求的天線，作為發(fā)射天線或作為接收天線。
13.—種車輛(30)，具有根據(jù)權(quán)利要求12的雷達(dá)系統(tǒng)。
14.一種制造天線的方法，所述方法具有通過下列方式確定天線單元(10)的間隔以形成單元的一維或多維陣列的初始步驟，所述方式為按照期望波長確定單元間隔，以及確定至少部分所述陣列中的連續(xù)單元或單元組之間的間隔以便成為非周期的并對(duì)應(yīng)于單位間隔的一系列倍數(shù)，至少五個(gè)所述連續(xù)單元或單元組的倍數(shù)遵循斐波納契數(shù)列。
全文摘要
一種天線(80，90)具有單元(20、40)的一維或多維陣列，其中，至少部分所述陣列中的連續(xù)單元之間的間隔是非周期的并對(duì)應(yīng)于單位間隔的一系列倍數(shù)，所述倍數(shù)遵循斐波納契數(shù)列。二維陣列能夠被安排為斐波納契網(wǎng)格或斐波納契正方形平鋪。能夠?qū)τ诮o定的分辨率測量減少單元的數(shù)量，同時(shí)仍然使得所發(fā)射或接收的信號(hào)能夠在單個(gè)唯一方向上具有峰值從而形成波束。不僅如此，由于將存在著一些單元緊密地聚集在一起而有幾個(gè)之間適當(dāng)間隔的情況，所以與規(guī)則間隔的陣列相比，能夠更適合于車輛(30)。能夠?qū)⑵溆米鱽喓撩桌走_(dá)系統(tǒng)的發(fā)射天線或接收天線。
文檔編號(hào)H01Q21/22GK102859794SQ201080042168
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者柳原弘道, 宗岳嶺紀(jì), H·F·A·莫科爾 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車歐洲股份有限公司