[发明专利]天线装置及波束形成设备

说明书

技术领域

本发明涉及天线装置（antenna arrangement）以及波束形成设备，例如，用于成像场景的主动成像设备。

背景技术

以超声频率、微波频率、毫米波频率及太赫兹频率的主动成像系统变得越来越普及，用于包括医疗应用和安全应用等许多应用。

主动成像系统中的发射器（本文也称为“照明单元”或“发射单元”）及接收器（本文也称为“接收单元”）的排列（arrangement）可以采用多种不同的形式。在本发明相关的实施方式中，多个发射器及接收器一起工作以便在MIMO雷达或MIMO主动成像系统中执行波束形成。主要存在两种不同类型的MIMO雷达。第一种类型称为统计MIMO，其中天线（通常为“发射天线”及“接收天线”）被彼此远离地放置以提供不同的对象视图（通常为“场景（scene）”）。第二种类型的MIMO称为波束形成（或共定位）MIMO，其中天线被彼此接近地放置并形成稀疏阵列。它们共同作用以形成“虚拟”波束形成阵列或“虚拟相位中心”。MIMO波束形成可用于一维（1D MIMO）或二维（2D MIMO）。本发明可用于这两种情况。

对于MIMO波束形成，发射天线及接收天线的组合形成位于空间中的一组虚拟相位中心。每个相位中心通过卷积（convolution）发射天线与接收天线的相位中心获得。对于最终产生的波束（beam）的最佳辐射模式，虚拟相位中心需要用等距线性间隔隔开（理想情况下是利用小于波长/2的间隔）。在实践中实现这一目标是非常富有挑战性的，因为发射器天线必须放置成非常接近接收器天线以保持虚拟相位中心的线性间隔。

J.H.G.Ender，J.Klare，“System Architectures and Algorithms for Radar Imaging by MIMO-SAR”，IEEE Radar Conference2009描述了一种1DMIMO波束形成装置（beam forming arrangement），其中发射器天线块（Tx块）被最佳地放置在天线装置的外侧，接收器天线（Rx天线）放置在天线装置的中间。这样的排列被视为最佳，因为天线的总实体尺寸只比通过虚拟相位中心的位置设置的所得孔径尺寸（aperture size）略大一点。在这篇文章中，描述了基本间隔规则以实现虚拟相位中心的线性间隔。在J.Klare，O Saalmann，H.Wilden，“First Experimental Results with the imagingMIMO Radar MIRA-CLEX”，EUSAR Conference2010中公开了一种类似装置。

S.Ahmed et al，“Near Field mm-Wave Imaging with Multistatic Sparse2D Arrays”，Proceedings of the 6th European Radar Conference2009，p.180-183描述了三种不同的2D MIMO可能性。在所有情况下，与Rx块最接近的Tx块的间隔在两个维度中都维持在（Tx至Tx天线间隔）/2。

X.Zhuge，“Short Range Ultra-Wideband Imaging with Multiple-Input Multiple Output”，PhD Thesis，Delft University of Technology2010在第4章中描述了多种不同的2D MIMO装置（排列）。在第101页，作者得出结论，发射器天线及接收器天线的均匀2D矩形排列（正如在第90页的图4.3看到的一样）具有最大的有效孔径。这意味着该2D排列对给定的天线实体尺寸来说具有最大的孔径尺寸。发射器天线及接收器天线的均匀2D矩形排列与S.Ahmed所提出的相同（见上文）。正如已经针对为这种装置线性间隔开的虚拟相位中心所陈述的一样，Tx块与Rx块的间隔必须具有与（Tx至Tx天线间隔）/2对应的间隔。