专利名称：具有包含多个天线单元的串联馈电阵列天线的雷达装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及雷达装置，并且更为具体地说，涉及具有串联馈电阵列天线的雷达装置，每个串联馈电阵列天线包含通过馈线串联的多个天线单元。
背景技术：
在使用阵列天线的雷达装置中，由于在制造雷达装置时发生误差或者由于环境温度的变化，天线单元的馈电相位出现偏移。因此，从阵列天线输出的雷达波束的方向也可能出现偏移。结果，雷达装置的性能可能降低。在这点上，举例而言，公开号为2008-224511和2002-162460的日本专利申请公开了在雷达装置中使用的技术，以校准雷达装置的相位偏移。特别地，公开号为2008-224511的专利文件公开了一种技术，其中，来自发射天线的漏波被接收天线接收并且对漏波的相位进行存储，并且在实际检测到目标时，该方法将雷达波的相位与漏波的相位进行比较，然后针对每个天线单元提取相位校正量并且记录该相位校正量。结果，每次检测到目标时，基于相位校正量来校准误差。此外，公开号为2002-162460的专利文件公开了一种技术，其中，检测参考天线处的雷达波和其他天线处的雷达波之间的相位差，并且将所检测的相位差与由于其他天线单元处的温度变化所引起的经估计的相位差进行比较，从而获得相位校正量。根据毫米波雷达装置，为了减少馈线的功率损耗，可以缩短馈线的长度。因此，在毫米波雷达装置中使用串联馈电阵列天线是有效的。然而，在串联馈电阵列天线中，由于在制造串联馈电阵列天线时发生误差或者由于温度变化，各个天线单元的馈电的相位(馈电相位)中可能出现误差，因此方向性的峰角出现偏移。结果，雷达装置的性能可能降低。例如，如图5所示，当预计在雷达装置中没有误差时，雷达波的波束被设计成在0度处具有增益峰值。假设雷达装置中发生误差，因此方向性的峰角偏移了 θ度，0度方向处的增益明显降低。公开号为2008-224511和2002-162460的专利文件所公开的技术涉及雷达水平方向上的角误差的校准。因此，在雷达的垂直方向上不能做出校正。这是因为不能检测并且校正排列在垂直方向上的各个天线单元中的馈电的相位偏移。此外，在专利文件2002-162460 所公开的技术中，为了检测初始相位，需要设置参考天线单元并且在阵列天线前面布置标准反射体。因此，在这种技术中，天线的校准是不容易做到的。
发明内容
根据上述问题而完成了本发明。本发明的目标是提供一种雷达装置，其中，串联馈电阵列天线用于发射和接收雷达波，并且可以校准每个天线单元中的馈电的相位偏移。作为实施例的第一方面，提供了一种形成串联馈电阵列天线的雷达装置。该雷达装置包含阵列天线，其具有发射天线和接收天线，每个天线包含排成阵列的多个天线单元并具有电连接在其间的馈线，其中，所述发射天线从在各个天线单元之间具有相互不同的馈电相位的所述各个天线单元辐射信号，以产生雷达波束；校准线，其连接在所述发射天线的所述馈线处的连接点和所述接收天线的所述馈线处的连接点之间；开关，其连接在所述发射天线和所述接收天线之间以连接或断开其间的所述校准线，当所述开关连接所述校准线时，具有相位偏移的所述信号经由所述校准线传输；计算模块，其用于基于所述发射天线处的参考相位从经由所述校准线传输的所述信号计算相位偏移量；以及校准模块，其用于校准由所述计算模块计算的所述相位偏移。所述校准线是连接在所述连接点之间的，以在从所述发射天线中的所述馈线上的馈电点到所述发射天线中的所述馈线上的所述连接点的信号路径中和从所述接收天线中的所述馈线处的所述连接点到所述接收天线中的所述馈线处的馈电点的信号路径中包含至少一个天线单元。可以通过任何天线结构来设计天线阵列(即，发射天线和接收天线)，只要天线被设计成串联馈电天线。特别地，所述发射天线和所述接收天线的所述馈线可以由微带线、 三板线、共面线和波导管来配置。对于发射天线和接收天线的天线单元，可以使用贴片天线、偶极子天线和隙缝天线。此外，发射天线和接收天线可以是相控阵列天线，其中，移相器被布置在所述天线单元之间。所述移相器是由以下中的至少一个来配置的半导体设备、 MEMS(微电机械系统)、可变介电常数材料(例如，铁电材料或液晶材料)。至于发射天线和校准线之间的连接点以及校准线和接收天线之间的连接点，当所述校准线是连接在所述连接点之间以在从所述发射天线中的所述馈线上的馈电点到所述发射天线中的所述馈线上的所述连接点的信号路径中和从所述接收天线中的所述馈线处的所述连接点到所述接收天线中的所述馈线处的馈电点的信号路径中包含至少一个天线单元时，所述连接点的位置是不受限制的并且可以改变到任何位置。考虑到来校准线自身的辐射的影响、相位叠加、接收信号的强度等，校准线的连接点可以被布置在任何部分。此外，考虑到各种影响，开关可以被布置在任何部分。当校准线影响雷达波的辐射使雷达装置的性能受到校准线的影响时，开关可以被置于发射天线和校准线之间的连接点和接收天线和校准线之间的连接点处，以(除非需要校准)通过关闭开关来将校准线从接收天线和发射天线隔离。可以布置多个发射天线或多个接收天线。由于校准操作和正常操作两者可以并行执行，因此优选地，使用多个接收天线。关于校准方法，可以使用下列多种方法。这些方法可以单独执行或者可以使用这些方法的任意组合来执行。在这些校准方法中，一种方法是基于相位偏移量通过信号处理来进行校准。例如，估计天线单元的馈电的相位偏移，由此计算雷达波束的波束方向的偏移，并且在计算要测量的目标的位置时，信号处理校准波束方向的偏移。作为实施例的第二方面，所述开关被置于所述发射天线处的所述校准线的连接端和所述接收天线处的所述校准线的连接端处。作为实施例的第三方面，所述雷达装置包含用于基于由所述计算模块计算的所述相位偏移量来估计所述天线单元处的馈电相位的相位偏移的估计模块和用于检测所述雷达波束的方向偏移的检测模块。作为实施例的第四方面，所述雷达装置包含压控振荡器(即，VC0)，所述压控振荡器改变所述信号的频率，并且所述校准模块被配置为将由所述计算模块计算的所述相位偏移转换成频率偏移并且由所述压控振荡器来控制由所述发射天线发射的所述信号的所述频率，以执行所述校准。
作为实施例的第五方面，所述发射天线和所述接收天线由相控阵列天线进行配置，其中，移相器被布置在所述天线单元之间，并且所述雷达装置包含用于基于由所述计算模块计算的所述相位偏移量来估计所述天线单元处的所述馈电的相位偏移的估计模块； 以及，通过改变所述移相器的相位偏移量来校准所述馈电的所述相位偏移的所述校准模块。作为实施例的第六方面，所述移相器是由以下中的至少一个来配置的半导体设备、MEMS、铁电材料和液晶材料。作为实施例的第七方面，所述发射天线和所述接收天线的所述馈线是由微带线、 三板线、共面线和波导管中的至少一个来配置的。作为实施例的第八方面，在所述发射天线和所述接收天线中使用的所述天线单元是由贴片天线或隙缝天线或偶极子天线来配置的。根据实施例的第一方面，可以通过开关来改变操作模式，也就是说，雷达装置的正常操作模式和校准模式可以切换。在校准模式中，信号是经由校准线接收的，因此可以估计各个天线单元中的馈电的相位偏移。因此，通过校准馈电的相位偏移可以抑制雷达装置中性能的降低。根据实施例的第一方面，当采用了多个接收天线时，即使是在校准模式中，除了连接到校准线的接收天线之外的接收天线能够正常地操作。因此，上述雷达装置能够执行校准模式以校准馈电的相位偏移以及雷达功能的正常操作以检测要测量的目标的位置寸。根据实施例的第二方面，在执行校准时，校准线可以与发射天线和接收天线相隔离，由此雷达装置的性能受到来自校准线自身辐射的电磁波的影响而受到抑制。根据实施例的第四方面，可以通过改变信号的频率来校准各个天线单元中的馈电的相位偏移。此外，可以通过改变频率来检测相位偏移量，因此可以降低相位叠加的影响。 结果，可以增强校准的准确度。进一步，根据实施例的第五方面，馈电的相位偏移可以通过由移相器调整相位偏移量来进行校准。作为根据实施例的第六方面的移相器，移相器可以由以下中的至少任何一个来配置半导体设备、MEMS、铁电材料和液晶材料。根据实施例的第七方面，所述发射天线和所述接收天线的所述馈线是由微带线、 三板线、共面线和波导管中的至少一个来配置的。根据实施例的第八方面，在所述发射天线和所述接收天线中使用的所述天线单元可以由贴片天线或隙缝天线或偶极子天线来进行配置。
在附图中图1是示出了根据第一实施例的雷达装置的整体配置的框图；图2是示出了雷达装置的发射阵列天线和接收阵列天线的放大图的框图；图3是示出了频率和相位偏移量之间的关系的曲线图；图4是示出了根据第二实施例的雷达装置的配置的框图；以及图5是示出了雷达波束的方向偏移的说明图。
具体实施例方式
参照附图，下文将描述本发明的实施例。(第一实施例)参考图1-3，下文将描述本发明的第一实施例。图1是示出了根据第一实施例的雷达装置的整体配置的框图。雷达装置包含发射阵列天线10、接收阵列天线11-1到ll-η、信号处理电路12、D/A转换器113、VC0(压控振荡器)14、定向耦合器15、混频器16-1到16-n、基带电路17-1到17_n、以及A/D转换器18-1 到18-n。需要注意的是，η是表示接收天线和相应的外围电路的数目的正整数。信号处理电路12经由D/A转换器13连接到VCO 14，并且VCO 14经由定向耦合器 15连接到发射阵列天线10。接收阵列天线11-1到ll-η分别连接到混频器16-1到16_η。 这些混频器16-1到16-n也连接到定向耦合器15。基带电路17_1到17_n连接到混频器 16-1到16-n的输出端。基带电路17-1到17-n经由A/D转换器18-1到18-n连接到信号处理电路12。图2是示出了发射阵列天线10和接收阵列天线11-1到ll-η的配置的详细框图。发射阵列天线10和接收阵列天线11-1到ll-η由连接在馈线100之间的多个天线单元101配置，以使得这些天线单元101以恒定的间隔布置在馈线100之间。换句话说，这些天线单元是由馈线100串联的。发射阵列天线10和接收阵列天线11-1到ll-η组成串联馈电阵列天线，其中，馈线100的一端被设为馈电点或者接收点。进一步，移相器300(可选择的)可以被布置在天线单元101之间(在后面描述)。发射阵列天线10和接收阵列天线11-1到ll-η被布置成沿相同的方向排列，并且各个天线单元101被布置成形成其间具有恒定间隔的矩阵。接收阵列天线11-1到ll-η是按照离发射阵列天线10的距离的顺序来布置的，因此接收阵列天线11-1被布置在邻近发射阵列天线10的位置，并且接收阵列天线11-2被布置在紧邻接收阵列天线11-1的位置，而其他接收阵列天线ll-η以相同的方式进行布置。发射阵列天线10的馈线100在终端处(馈电点侧的相反侧的终端部分)连接到校准线102。开关103被布置在接收阵列天线11-1 (其位于邻近发射阵列天线10的位置) 的接收点和位于离该接收点最近位置处的天线单元IOla之间。校准线102和接收阵列天线11-1的接收点是通过开关103来连接的。开关103在校准模式和正常模式之间进行切换。在校准模式中，连接校准线102和接收阵列天线11-1的接收点，而接收阵列天线11-1 的接收点和天线单元IOla是断开的。在正常模式中，校准线102和接收阵列天线11-1的接收点之间的连接被断开，而连接接收阵列天线11-1的接收点和天线单元101a。由开关 102进行的切换操作是由信号处理电路12来控制的。可以通过使用任何结构来设计发射阵列天线10和接收阵列天线11-1到ll-η，只要其被设计成串联馈电天线。举例而言，馈线100可以由微带线、三板线、共面线和波导管来进行配置。馈线的形状不是必须是直线，可以是曲线或具有直线和曲线的形状。进一步， 对于天线单元101而言，可以使用诸如矩形贴片天线、圆形贴片天线、隙缝天线、偶极子天线之类各种类型的天线以及这些天线的组合。根据第一实施例的雷达装置，雷达装置执行包含正常模式和校准模式的两种操作模式。这两种操作模式是通过由信号处理电路12控制的开关103来切换的。在正常模式中，接收阵列天线11-1的接收点和天线单元IOla由开关103连接，并且作为雷达装置的基本功能，即检测要测量的目标的距离和方向。同时，在校准模式中，校准线102和接收阵列天线11-1的接收点由开关103连接，而接收阵列天线11-1的接收点和天线单元IOla之间的连接被断开，由此校准各个天线单元101中的馈电的相位偏移。下文描述了正常模式操作。VCO 14基于由信号处理电路12经由D/A转换器13输入的控制信号来产生具有预定频率(例如，在用于车载雷达装置时，为76-77GHZ)的信号。 应当注意的是，根据本发明的雷达装置采用FM-CW(调频连续波)或CW(连续波)类型的雷达。来自VCO 14的输出信号被输入到发射阵列天线10，并且输出信号被馈送到发射阵列天线10的每个天线单元101。每个天线单元101辐射电磁波，其中，取决于馈线100的长度， 这些天线单元101之间的馈电的相位(馈电相位)不同。因此，形成在预定方向上具有最大增益的雷达波束，并且从发射天线发送该雷达波束。在被测量的目标处反射的雷达波束由各个接收阵列天线11-1到ll-η接收。由接收阵列天线11-1到ll-η接收的信号在混频器16-1到16_n处分别与来自定向耦合器15 的信号混合，由此产生差拍信号(beat signal) 0这些差拍信号被输入到基带电路17_1到 17-n，并且从差拍信号中去除噪声分量。随后，差拍信号被在A/D转换器18-1到18_n处被转换成数字差拍信号并且被输入到信号处理电路12。在信号处理电路12中，所输入的数字差拍信号由数字差拍形成(DBF)进行处理。结果，检测到关于被测量目标的位置信息。在校准模式中，到达发射阵列天线10的终端的信号经由校准线102被输入到接收阵列天线11-1的接收点，并且随后该信号被输入到混频器16-1。混频器16-1将该信号与定向耦合器15发送的信号进行混合，并且产生差拍信号。此外，差拍信号中的噪声分量通过基带电路17-1去除。A/D转换器18-1将差拍信号转换成数字差拍信号，该数字差拍信号被输入到信号处理电路12。到接收阵列天线11-1的输入功率被设为足够小，以避免混频器16-1饱和。因此，有必要将通过校准线102的衰减设置为较大，以使得可以折叠校准线 102，从而确保校准线的长度足够长。信号处理电路12基于数字差拍信号来计算发射阵列天线10处的相位偏移量。输入到信号处理电路12的数字差拍信号是基于经由发射阵列天线10和校准线102发送的信号，因此校准线处的相位偏移量是已知的(相位偏移量存储在信号处理电路12的存储器中)。因此，可以很容易地通过将从数字差拍信号获得的相位偏移量减去校准线102处的相位偏移量来计算发射阵列天线10处的相位偏移识’。相位偏移量炉’表示为—(f)，其为从VCO 14输出的信号的频率f的单值函数。此夕卜， 相位偏移的设计值识表示为树f)，其也是频率f的单值函数。由于相位偏移的设计值识是存储在连接到信号处理电路12的存储器中，因此出现频率f’ (定义为—(f’) =树f))(参见图 3)。因此，对VCO 14进行控制以将信号的频率从f改变到f’，由此可以将相位偏移校正到设计值炉O确定频率f ’以便计算相位偏移量—，同时改变信号频率并且确定对应于设计值识的频率f’，或者提前估计识’①并且存储所估计的—(f)，并且可以从等式—(f’) = iKf)来计算 f’。由于相位偏移量是通过使用多个频率来测量的，因此可以降低相位叠加效应。结果，可以增强校准的准确度。进一步，可以在正常模式和校准模式之间切换调制周期以检测相位偏移，以使得在校准模式中，调制周期被设为较长，由此容易地检测相位偏移—。因此，在校准模式中，信号处理电路12将由VCO 14输出的信号的频率控制为是可变的，以便将相位偏移—校正为设计值P。结果，每个天线单元101中的馈电的相位偏移被校正，以使得雷达波束的方向(增益的峰值方向)可以被校准为所设计的方向。在校准模式中，接收阵列天线11-2到ll-η用作正常模式，以接收要测量的目标处反射的雷达波束。因此，在校准模式中，信号处理电路12校正天线单元101中的馈电的相位偏移，由此校准雷达波束的方向(即，雷达波束的方向偏移)，并且同时，对由接收阵列天线11-2到ll-η接收的信号进行处理以检测要测量的目标的位置。(第二实施例)根据第二实施例的雷达装置，如图4所示，其被配置为开关203进一步被置于发射阵列天线10的馈线100的终端和校准线102之间。开关203可以将发射阵列天线10的馈线100的终端和校准线102之间的连接切换为开(ON)和关(OFF)。特别地，当雷达装置在正常模式中进行操作时，开关203将发射阵列天线10从校准线102断开，由此在正常操作中时，可以抑制从校准线辐射的电磁波。结果，也可以抑制雷达装置性能的降低。根据第一和第二实施例，VCO 14改变信号的频率，由此校正相位偏移。然而，信号处理电路12计算相位偏移，以便计算基于参考值ρ离相位偏移<的偏移量& (=识'"~9)，并且信号处理电路12可以通过直接使用移相器300来校准偏移量δ ‘。当相控阵列天线具有发射阵列天线10时，雷达装置采用接收阵列天线11-1到ll-η以及布置于天线单元101 之间的移相器300，可以按照以下步骤进行校准。首先，信号处理电路12计算离参考值识的偏移量δ ‘，并且估计发射阵列天线10的各个天线单元101处的馈电的相位偏移量δ。 特别地，当假设发射阵列天线10的线长度是L，天线单元101之间的距离是d，并且各个天线单元101之间离设计值的馈电相位偏移量δ是相同的时，可以通过等式δ = δ' *d/ L来计算相位偏移量δ。因此，这个相位偏移量δ可以被设成布置在天线单元101之间的每个移相器300中的相位偏移值，从而可以完成相控阵列天线的校准。需要注意的是，可以由半导体设备、MEMS (微电机械系统)、铁电材料和液晶材料来配置移相器300。根据第一和第二实施例的信号处理电路12可以采用上述过程来获得相位偏移δ 并且通过使用等式θ =arCCOs(-S/(kd))来计算雷达波束的方向误差(方向偏移)，由此通过信号处理来校准误差。结果，可以增强检测目标位置的准确度。此处，θ是基于以下条件来定义的当未检测到相位误差时，雷达波束的方向是0度，并且k是在频率f处波的数目。进一步，通过改变信号频率或改变移相器300处的相位量来进行的相位偏移的校准可以与通过信号处理来执行的雷达波束的方向校准同时进行。此外，可以在雷达波束的方向校准之前/之后进行相位偏移的校准。校准线102的连接点不限于第一和第二实施例的配置，然而，可以做出各种修改。 举例而言，校准线102可以被布置成包含信号路径(即，发射阵列天线10的馈电点到发射阵列天线10和校准线102之间的连接点)中的至少一个天线单元101、校准线102、校准线 102和接收阵列天线11-1之间的连接点，以及接收阵列天线11-1的接收点。考虑到来自校准线自身的辐射的影响、相位叠加、接收信号的强度等，校准线102的连接点可以被布置在任何部分。此外，当开关被布置成连接/断开(电导通/电断开)校准线102时，考虑到各种可能的影响，该开关可以被布置在任何部分。
根据第一和第二实施例，校准线102连接到接收阵列天线11-1。然而，校准线102 可以连接到其他接收天线11-2到ll-η中的任何一个接收天线。当校准线102的长度变长， 雷达装置的性能可能受到从校准线102辐射的电磁波的影响。因此，由于阵列天线中的线的布局的设计可能变得复杂，因此优选地，将校准线配置成连接到离发射阵列天线10最近的接收阵列天线11-1。应当注意的是，本发明不限于上述的实施例。然而，在本发明的范围内可以做出各种修改。
权利要求
1.一种形成串联馈电阵列天线的雷达装置，包括阵列天线，其具有发射天线和接收天线，每个天线包含排成阵列的多个天线单元并具有电连接在其间的馈线，其中，所述发射天线从在各个天线单元之间具有相互不同的馈电相位的所述各个天线单元辐射信号，以产生雷达波束；校准线，其连接在所述发射天线的所述馈线处的连接点和所述接收天线的所述馈线处的连接点之间；开关，其连接在所述发射天线和所述接收天线之间以连接或断开其间的所述校准线， 当所述开关连接所述校准线时，具有相位偏移的所述信号经由所述校准线传输；计算模块，其用于基于所述发射天线处的参考相位从经由所述校准线传输的所述信号计算相位偏移量；以及校准模块，其用于校准由所述计算模块计算的所述相位偏移，其中，所述校准线是连接在所述连接点之间的，以在从所述发射天线中的所述馈线上的馈电点到所述发射天线中的所述馈线上的所述连接点的信号路径中和从所述接收天线中的所述馈线处的所述连接点到所述接收天线中的所述馈线处的馈电点的信号路径中包含至少一个天线单元。
2.根据权利要求1所述的雷达装置，其中，所述开关被置于所述发射天线处的所述校准线的连接端和所述接收天线处的所述校准线的连接端处。
3.根据权利要求1或2所述的雷达装置，其中，所述雷达装置包含用于基于由所述计算模块计算的所述相位偏移量来估计所述天线单元处的相位偏移的估计模块；以及，用于检测所述雷达波束的方向偏移的检测模块。
4.根据权利要求1或2所述的雷达装置，其中，所述雷达装置包含压控振荡器，所述压控振荡器改变所述信号的频率，并且所述校准模块被配置为将由所述计算模块计算的所述相位偏移转换成频率偏移并且由所述压控振荡器来控制由所述发射天线发射的所述信号的所述频率，以执行所述校准。
5.根据权利要求1或2所述的雷达装置，其中，所述发射天线和所述接收天线由相控阵列天线进行配置，其中，移相器被布置在所述天线单元之间，并且所述雷达装置包含用于基于由所述计算模块计算的所述相位偏移量来估计所述天线单元处的所述馈电的相位偏移的估计模块；以及，通过改变所述移相器的相位偏移量来校准所述馈电的所述相位偏移的所述校准模块。
6.根据权利要求5所述的雷达装置，其中，所述移相器是由以下中的至少一个来配置的半导体设备、MEMS、铁电材料和液晶材料。
7.根据权利要求1或2所述的雷达装置，其中，所述发射天线和所述接收天线的所述馈线是由微带线、三板线、共面线和波导管中的至少一个来配置的。
8.根据权利要求1或2所述的雷达装置，其中，在所述发射天线和所述接收天线中使用的所述天线单元是由贴片天线或隙缝天线或偶极子天线来配置的。
全文摘要
形成串联馈电阵列天线的雷达装置包含阵列天线，其具有发射/接收天线，并且每个天线包含排成阵列的多个天线单元并具有相互串联的馈线。校准线经由开关被布置在发射天线和接收天线之间，开关连接或断开校准线。当开关连接校准线时，经由校准线发射具有相位偏移的信号，并且基于发射天线处的参考相位从经由校准线发射的信号计算相位偏移量，由此校准相位偏移。
文档编号G01S13/00GK102385053SQ201110265729
公开日2012年3月21日 申请日期2011年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者中林健人, 小川胜, 松沢晋一郎, 片山哲也 申请人:株式会社电装