可负担得起的组合脉冲/FMCW雷达AESA的制作方法

背景

本发明通常涉及雷达系统的领域。

脉冲雷达系统提供脉冲雷达波束和脉冲雷达回波的接收，并具有比调频连续波(fmcw)雷达系统更长的范围。另一方面，fmcw雷达可为更短范围的应用提供(比脉冲)更高的雷达分辨率和良好的雷达检测。

需要两个联邦时分复用系统和/或用于全双工的双工器的组合fmcw/脉冲雷达系统是已知的。这样的组合系统使用具有单独的天线或单独的aesa(有源电子扫描阵列)的两个完全独立的fmcw和脉冲系统。

概述

在一个方面中，本文公开的发明性概念的实施例是针对组合脉冲和fmcwaesa雷达系统。雷达系统包括辐射元件的aesa阵列、发射/接收(tr)模块的阵列、射频(rf)组合器/分离器、发射器、脉冲雷达接收器和fmcw雷达接收器。每个tr模块与辐射元件的阵列的各自的辐射元件相对应。rf组合器/分离器配置成组合来自tr模块的阵列的信号，以及将信号分开到tr模块的阵列。发射器配置成发送激发信号以经由tr模块激发辐射元件的阵列中的选定辐射元件。脉冲雷达接收器配置成当发射器在脉冲雷达模式时经由rf组合器/分离器从辐射元件的阵列中的辐射元件经由tr模块接收雷达回波信号。fmcw雷达接收器配置成当发射器在fmcw雷达模式时经由tr模块从辐射元件的阵列中的选定辐射元件接收雷达回波信号。本发明还提供了操作这样的雷达系统的方法。

附图的简要描述

图1是根据本文公开的发明性概念的实施例的组合fmcwaesa雷达系统的示意图。

图2例示了布置在权利要求1的系统的阵列中的辐射元件。

图3是例示了根据本文公开的发明性概念的另一实施例的雷达系统的脉冲雷达部分的示意图。

图4a是根据本文公开的发明性概念的另一实施例的使用在fmcw模式中的单个发射辐射元件的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统的示意图。

图4b是根据本文公开的发明性概念的实施例的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统的多个fmcw雷达接收器的示意图。

图4c是根据本文公开的发明性概念的实施例的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统的单个fmcw雷达接收器的示意图。

图4d是根据本文公开的发明性概念的另一实施例的使用在fmcw模式中的多个发射辐射元件的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统的示意图。

图5例示了根据图4a或4d的系统的辐射元件的阵列的布置，辐射元件的子阵列布置在单个面板上。

图6例示了根据图4a或4d的系统的辐射元件的阵列的布置，辐射元件的子阵列布置在人字形配置中的多个面板上。

图7a是例示了根据本文公开的发明性概念的另一实施例的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统的示意图。

图7b是图7a的雷达系统的fmcw雷达单元部分的示意图。

图8例示了根据图7a的系统的辐射元件的阵列的布置，辐射元件的子阵列布置在单个面板上。

图9例示了根据图7a的系统的辐射元件的阵列的布置，辐射元件的子阵列布置在人字形配置中的多个面板上。

详细描述

图1例示了了根据本文公开的发明性概念的实施例的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统100。雷达系统100包括辐射元件10、发射/接收(tr)模块20、射频(rf)组合器/分离器30、发射器40、脉冲雷达接收器50、fmcw雷达接收器70、选择器60和开关42。辐射元件10可被布置为单个aesa的部分。虽然图1例示了了两个模式——fmcw和脉冲——的单个共享发射器，但通常fmcwaesa雷达系统100可包括不同模式的单独发射器。对于图1的fmcwaesa雷达系统100，fmcw和脉冲模式可在接近或相同的频率下操作，因为这两个模式共享相同的发射器40和辐射元件10。例示了图7a和7b的系统的一个例子，其中这两个模式使用高度分离的频率。

图2例示了布置在阵列15中的辐射元件10。辐射元件10可以是例如布置成发射雷达信号并接收雷达回波的雷达天线。为了容易说明，图2例示了包括辐射元件10的4×4阵列的阵列15。通常，阵列可包括大得多的数量的辐射元件10。

返回到图1，辐射元件10每个具有相应的tr模块20。因此，每个tr模块20与辐射元件10的阵列15中各自的辐射元件10相对应。

雷达系统100设计成在脉冲雷达模式或fmcw雷达模式中操作。发射器40配置成发射激发信号以经由tr模块20激发辐射元件10的阵列15中的辐射元件。在脉冲雷达模式中，发射器40发射激发信号以通过r/f组合器/分离器30激发辐射元件10的阵列15中的所有辐射元件，从而提供来自辐射元件10的阵列15的脉冲雷达波束。在fmcw雷达模式中，发射器40发射激发信号以通过选择器60激发辐射元件10的阵列15中的选定辐射元件，从而提供来自辐射元件10的阵列15的fmcw雷达波束。

选择器60选择适当的雷达元件10和相应的tr模块20，并根据脉冲雷达模式或fmcw雷达模式在发射器40、脉冲雷达接收器50和fmcw接收器70之间选择。此外，开关42在脉冲雷达模式中的发射器40和脉冲雷达接收器50之间选择。选择器60和开关42可在射频集成电路(rfic)电路中(例如由rfic开关矩阵)容易实现。在脉冲雷达模式中，开关42和选择器60设置成使得发射器40经由组合器/分离器30发射激发信号以激发辐射元件10的阵列15中的所有辐射元件，从而提供脉冲雷达波束。在脉冲雷达波束由辐射元件10的阵列15发射之后，开关42和选择器60设置成使得脉冲雷达接收器50经由rf组合器/分离器30从辐射元件10的阵列15中的所有辐射元件经由tr模块20接收雷达回波信号。

在fmcw雷达模式中，选择器60设置成使得发射器40发射激发信号以经由tr模块20激发辐射元件10的阵列15中的选定辐射元件，从而提供fmcw雷达波束。与fmcw雷达波束由辐射元件10的阵列15发射同时地，选择器60设置成使得fmcw雷达接收器70经由tr模块20从辐射元件10的阵列15中的选定辐射元件接收雷达回波信号。

雷达系统100可以是在fmcw雷达模式和脉冲雷达模式之间时分复用的。如果每个模式使用单独的专用发射器40，每个模式在不同的分离的频率下操作且辐射元件10是用于每个模式的足够宽带的或单独的辐射元件(如例如在图7a和7b中所示的)，则这两个模式的同时操作是可能的。

图3例示了根据本文公开的发明性概念的雷达系统的脉冲雷达部分300。脉冲雷达部分300包括辐射元件310、tr模块320、射频(rf)组合器/分离器330、发射器340和脉冲雷达接收器350。

辐射元件310布置在阵列中，类似于如图2所示的辐射元件10布置在阵列15中。

返回到图3，辐射元件310每个具有相应的tr模块320。因此，每个tr模块320与辐射元件310的阵列中各自的辐射元件310相对应。tr模块320每个包括tr接收器322和tr发射器326以及开关321和325。当脉冲雷达部分300经由辐射元件310发射脉冲雷达波束时，开关321和325设置成使得tr发射器326操作。当脉冲雷达部分300经由辐射元件310接收脉冲雷达回波时，开关321和325设置成使得tr接收器322操作。

tr接收器322可具有放大器323a和323b及移相器部件324。类似地，tr发射器326可具有放大器327a和327b及移相器部件328。更一般地，时间延迟单元可代替移相器部件328用于超宽带操作。

发射器340可具有放大器342a、342b和342c以及分别在放大器342a、342b和342c后面的滤波器344a、344b和344c，如图3所示。发射器340还具有起上变频器作用的混频器346a和346b，以分别混合被应用为参考信号348a和348b的公共相干参考信号。发射器340还具有数模转换器(dac)349以向放大器342a提供模拟信号。

脉冲接收器350可以是如图3所示的超外差接收器。脉冲接收器350可具有放大器352a、352b和352c以及分别布置在放大器352a、352b和352c之前的滤波器354a、354b和354c，如图3所示。脉冲接收器350还具有混频器356a和356b以分别混合被应用为参考信号358a和358b的公共参考信号。脉冲接收器350还具有模数转换器(adc)359以基于来自放大器352c的模拟信号提供数字信号。

脉冲雷达部分300还具有开关344以在发射器340和脉冲接收器350之间切换。当脉冲雷达部分300经由辐射元件310提供脉冲雷达波束时，开关344设置成使得发射器340操作。在这种情况下，rf组合器/分离器330将来自发射器340的激发信号分离到tr模块320和相应的辐射元件310。当脉冲雷达部分300经由辐射元件310接收到脉冲雷达回波时，开关344设置成使得脉冲接收器350操作。在这种情况下，rf组合器/分离器330组合来自辐射元件310和相应的tr模块320的雷达回波信号并将组合信号传递到脉冲接收器350。

图4a例示了根据本文公开的发明性概念的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统400，其合并了图3的脉冲雷达部分300以及根据本文公开的发明性概念的多个fmcw雷达接收器470a、470b。图4b更详细地例示了多个fmcw雷达接收器470a、470b。在数字波束形成(dbf)的情况下，每个用于fmcw的辐射元件310将有一个接收器470。为了容易说明，图4a和4b例示了两个雷达接收器470a、470b，其中雷达接收器470的数量通常可以大于二。脉冲雷达部分300的部件与关于图3所述的相同，并使用相同的参考数字描述。

fmcwaesa雷达系统400是fmcw接收器470a、470b和脉冲接收器350在单个频带内操作的雷达系统。单个频带可以是x频带，其大约从8到12ghz。然而，单个频带可以是不同于x频带的频带，例如大约从75到110ghz的w频带，其在大约从30到300ghz的毫米波频带或其它射频频带内。

雷达系统400包括fmcw雷达接收器470和开关480a、480b、480c和480d。fmcw雷达接收器470a、470b是如图4a所示的零拍接收器。fmcw雷达接收器470a、470b每个可具有放大器472a和472b以及分别在放大器472a和472b之前的滤波器474a和474b，如图4a所示。fmcw接收器470a、470b还具有混频器476以混合公共参考信号478。fmcw雷达接收器470a、470b每个还具有adc479，其基于来自放大器472b的模拟信号提供数字信号并提供多个相位中心以允许dbf。

根据雷达系统400是否在fmcw雷达模式或脉冲雷达模式中，开关480a、480b、480c和480d经由rf组合器/分离器330在fmcw雷达接收器470a、470b和脉冲雷达接收器350之间以及经由rf组合器/分离器330在到发射器340的直接路径和到发射器340的路径之间切换。在fmcw雷达模式中，开关480a和480b被切换，使得来自选定的tr模块320和相应的辐射元件310的雷达回波绕过rf组合器/分离器330被引导到fmcw雷达接收器470a和470b。此外，在fmcw雷达模式中，开关480c和480d被切换，使得来自发射器340的发射信号tx应用于选定的tr模块320(在图4a中底部的tr模块)及其相应的辐射元件310。此外，耦合器480e拦截用作公共参考信号478的一部分发射信号以被提供到fmcw雷达接收器470a和470b的混频器476a。

雷达系统400可以是在可提供dbf的fmcw雷达模式和脉冲雷达模式之间时分复用的。

图4b例示了用于fmcw操作的多个fmcw雷达接收器470a和470b。可选地，为fmcw接收器选择的辐射元件310可由专用rf组合器490组合，如图4c所例示。在这种情况下，将具有单个fmcw接收器470，如图4c所例示。

图4a的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统400使用用于fmcw发射的单个辐射元件(来自图4a中底部的t/r模块320的辐射元件312)。可选地，可为fmcw发射器选择多于一个辐射元件。在这种情况下，专用rf分离器492可用于朝着选定的辐射元件310分离fmcw发射器信号，如在图4d的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统402中所例示的。此外，在图4d的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统402的fmcw雷达模式中，开关480c、480f和480d被切换，使得来自发射器340的发射信号tx应用于选定的tr模块320(在图4d中底部的两个tr模块)及其相应的辐射元件310。虽然图4d例示了用于fmcw发射的两个选定的tr模块320，但通常多于两个选定的tr模块是可能的。

图5例示了根据本公开的发明性概念的具有发射器辐射元件510a的第一子阵列515a和接收器辐射元件510b的第二子阵列515b的辐射元件510的阵列的布置。在脉冲雷达模式中，使用所有辐射元件510，而在fmcw雷达模式中，只使用辐射元件510的子集。第一子阵列515a的发射器辐射元件510a与例如在用于图3、4a和4d中的发射器340的操作的fmcw雷达模式中由rfic开关矩阵选择的辐射元件相对应。第二子阵列515b的接收器辐射元件510b与在用于图4a中的fmcw雷达接收器470a、479b和图4d中的fmcw雷达接收器470的操作的fmcw雷达模式中选择的辐射元件相对应。

发射器辐射元件510a的第一子阵列515a具有i×j种布置，其中i是在第一子阵列515a的每列中的辐射元件的数量而j是在第一子阵列515a的每行中的辐射元件的数量。接收器辐射元件510b的第二子阵列515b具有l×m种布置，其中l是在第二子阵列515b的每列中的辐射元件的数量而m是在第二子阵列515b的每行中的辐射元件的数量。图5例示了一种布置，其中为了容易解释，i等于2而j等于1，其中i和j的其它值是可能的。类似地，图5例示了一种布置，其中为了容易解释，l等于8而m等于4，其中l和m的其它值是可能的。

对于dbf应用，在接收器辐射元件510b的第二子阵列515b中的辐射元件510b的数量大于在发射器辐射元件510a的第一子阵列515a中的辐射元件510a的数量是可取的。这样是因为发射雷达波束可以是宽的，而所接收的雷达回波对于这样的dbf应用可以更窄。通常，接收器辐射元件510b的数量越大，则将由dbf形成的接收回波的数量就越大。在这点上，l可以大于i，且m可以大于j。

图5例示了一种布置，其中辐射元件510可以在单个面板520上。也就是说，包括发射器辐射元件510a的第一子阵列515a和接收器辐射元件510b的第二子阵列515b的辐射元件510的阵列以及用于脉冲雷达模式的任何辐射元件都在此单个面板520上。

可选地，图6例示了一种布置，其中辐射元件510的阵列布置在多于一个面板上。特别是，图6例示了一种布置，其中辐射元件510的阵列布置以人字形布置的三个面板520a、520b和520c上。人字形布置包括顶面板520a和两个侧面板520b和520c。如图6所示，发射器辐射元件510a的第一子阵列515a布置在顶面板上，而接收器辐射元件510b的第二子阵列515b布置在一个或多个的侧面板520b和520c上。虽然图6例示了接收器辐射元件510b的第二子阵列515b只布置在侧面板520c上，但一些或所有的接收器辐射元件510b可布置在侧面板520b上。

图6的人字形布置(其中发射器辐射元件510a的第一子阵列515a布置在顶面板520a上，而接收器辐射元件510b的第二子阵列515b布置在一个或多个的侧面板520b和520c上)提供第一子阵列515a和第二子阵列515b之间的隔离。图6的人字形布置也可使用在脉冲雷达模式中的一个或多个的面板上的辐射元件510。

图7a和7b例示了根据本文公开的发明性概念的组合脉冲和fmcwaesa雷达系统700，其合并了图3的脉冲雷达部分300以及根据本文公开的发明性概念的fmcw雷达单元710的fmcw雷达接收器770。脉冲雷达部分300的部件与关于图3所描述的相同，并使用相同的参考数字描述。图7a例示了组合脉冲和fmcwaesa雷达系统700，而图7b更详细例示了雷达系统700的fmcw雷达单元710部分。

组合脉冲和fmcwaesa雷达系统700是一种fmcw接收器770和fmcw发射器775以及脉冲接收器350在两个不同的频带内操作的雷达系统。具体地，fmcw接收器770和fmcw发射器775连同相应的r(接收)模块720和t(发射)模块725一起在第一频带内操作，而脉冲接收器350和相应的tr模块320在第二频带内操作。第一频带可以是w频带，而第二频带可以是x频带。第一和第二频带也可以分别是不同于w和x频带的频带。

fmcw雷达单元710包括fmcw雷达接收器770和fmcw雷达发射器775。r模块720布置在辐射元件312和fmcw雷达接收器770之间。t模块725布置在辐射元件312和fmcw雷达发射器775之间。fmcw雷达单元710经由t模块725和相应的辐射元件312发射，并进一步经由r模块720和相应的辐射元件312接收雷达回波。辐射元件312连同r模块720和t模块725一起在结构上不同于辐射元件310和tr模块320，使得辐射元件312以及r和t模块720、725适合于在第一频带中操作，而辐射元件310和tr模块320适合于在第二频带中操作。由于由脉冲和fmcw系统之间的宽频率分离所创建的隔离，组合脉冲和fmcwaesa雷达系统700的脉冲雷达模式和rmcw模式可同时操作。

图8例示了一种布置，其中辐射元件810可以在单个面板上。也就是说，辐射元件810的阵列包括都在单个面板820上的在第一频带中发射的发射器辐射元件810a的第一子阵列815a、在第二频带中发射和接收的发射器/接收器辐射元件810b的第二子阵列815b和在第一频带中接收的接收器辐射元件810c的第三子阵列815c。第一子阵列815a和第三子阵列815c用于fmcw模式，而第二子阵列815b用于脉冲模式。

虽然图8为了例证性目的例示了在2×1布置中的发射器辐射元件810a的第一子阵列815a，通常也考虑第一子阵列815a的其它尺寸。类似地，虽然图8为了例证性目的例示了在8×4布置中的接收器辐射元件810c的第三子阵列815c，通常也考虑第三子阵列815c的其它尺寸。

通常，在第一频带中接收的接收器辐射元件810c的第三子阵列815c的尺寸可以比在第二频带中操作的发射器/接收器辐射元件810b的第二子阵列815b的尺寸小得多。由于由在第二子阵列815b内的第三子阵列815c引起的“孔(hole)”，将第三子阵列815c布置在第二子阵列815b内可增加旁瓣水平或其它相关辐射参数。第三子阵列815c的相对小的尺寸减小了“孔”的尺寸。而且，旁瓣水平的增加可由通过设计逐渐变细的或非传统的孔径综合补偿。虽然由于在第二子阵列815b内的第三子阵列815c引起的“孔”在第二子阵列815b的中心附近，但通常孔可以在第二子阵列815b内的任何地方，例如在边缘附近。

可选地，图9例示了一种布置，其中辐射元件810的阵列布置在多于一个面板上。特别是，图9例示了一种布置，其中辐射元件810的阵列布置在以人字形布置的三个面板920a、920b和920c上。人字形布置包括顶面板920a和两个侧面板920b和920c。如图9所示，发射器辐射元件810a的第一子阵列815a和接收器辐射元件810c的第三子阵列815c布置在顶面板920a上，而发射器/接收器辐射元件810b的第二子阵列815b布置在侧面板920b和920c上。虽然图9例示了接收器辐射元件810c的第三子阵列815c只布置在顶面板920a上，一些或所有的接收器辐射元件810c可布置在侧面板920b和/或920c上。

根据本文公开的发明性概念的fmcw/脉冲雷达系统提供了很多优点。脉冲雷达的射频(rf)前端的大部分可以通过tr模块rfic技术以分布式方式集成在aesa的孔径当中。fmcw/dbfrf硬件可借助于最小数量的额外零拍接收器rfic、rfic开关和低功率fmcw发射器集成在x频带aesa的孔径内。根据子阵列和/或人字形配置，fmcw/脉冲雷达系统是高度模块化的，并可从单个或多个aesa面板构建。可通过将发射辐射元件安装在多面板人字形脉冲雷达aesa配置的顶面板上来实现更大的发射到接收器隔离。脉冲雷达的x频带rf前端的大部分可以通过tr模块rfic技术以分布式方式集成在aesa的孔径中。w频带fmcw-dbf可通过在x频带孔径的表面区域内的中心、边缘或任何地方处将“孔”放置在aesa面板中来集成到x频带脉冲雷达aesa孔径内。w频带fmcw/dbfrf硬件可以是单独的rfic芯片组和辐射孔径。由于宽频分离，x频带脉冲雷达和w频带fmcw/dbfrf系统的全双工操作是可能的。

上面所描述的发明性概念使用单个aesa提供fmcw/脉冲雷达的重量轻和低剖面组合。脉冲雷达提供较长的雷达范围和较低的平均功率。脉冲雷达为应用例如气象、地形测绘、感测和避免、适当顾及、火灾控制、空中交通、合成孔径雷达(sar)和逆合成孔径雷达(isar)提供适当的雷达。

fmcw雷达提供较短的雷达范围和较低的峰值功率。fmcw雷达为应用例如着陆区稳定性、飞机跑道入侵、翼梢防撞、滑行、直升机障碍物和导线探测、弱势的视觉环境(dve)着陆和防撞提供适当的雷达。

脉冲雷达和fmcw雷达都适合于本领域地形检测的状态。

本文公开的发明性概念的实施例特别参考其优选实施例被详细描述，但本领域中的技术人员将理解，变化和修改可在发明性概念的精神和范围内被实现。