CN101710653B

CN101710653B - 具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线

Info

Publication number: CN101710653B
Application number: CN 200910263435
Authority: CN
Inventors: 杨德强; 潘锦; 赵志钦; 聂在平
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: CN101710653A

Abstract

具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线，属于电子科学技术领域，涉及电磁波传输技术。包括金属背腔和时域脉冲天线；所述金属背腔的侧壁为渐变式侧壁，即金属侧壁与金属背腔顶面的夹角大于90度，而与时域脉冲天线的夹角小于90度。所述渐变式侧壁是平面渐变式侧壁、向金属背腔内部凹陷的曲面渐变式侧壁或向金属背腔外部凸起的曲面渐变式侧壁。本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线，能够在保持天线良好的方向性的基础上，保证时域脉冲信号的波形的保真度，消除脉冲拖尾现象；同时，该天线具有整个工作带宽内均衡的增益性能。该天线可用于UWB通讯或探地雷达等领域，进行超宽带时域脉冲信号的接收或发射，实现定向通讯或定向探测。

Description

具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线

技术领域

本发明属于电子科学技术领域，涉及电磁波传输技术，具体涉及应用于脉冲探地雷达和超宽带(UWB)通信的时域脉冲天线。

背景技术

超宽带时域脉冲信号广泛应用于探地雷达、UWB通讯等领域，具有信息容量大，分辨力高，保密性强等优点。超宽带时域脉冲的传输离不开收发天线，普通天线即使是宽带天线并不能直接用于发射或接收时域脉冲信号。超宽带时域脉冲天线是经过特殊设计的天线，除了拥有频域宽带特性以外，还必须具有群时延一致性及相位均衡的功能，使时域脉冲信号所包含的丰富频率分量都得到时间延迟量相对一致的传输。为了实现有效探测或定向通讯，需要在时域脉冲天线上增加天线背腔以实现单向辐射，这在频域中是一种简单常用的有效方法。但时域信号频率分量复杂，从低频到高频跨越数个倍频程，普通背腔不可能保证对各个频率分量的相位叠加一致性。

根据电磁波传输理论，电磁波照射到金属表面，会产生反射。将矩形金属背腔靠近时域脉冲天线，由于背腔顶面对天线的镜象作用，在背腔上面形成镜象天线，使得背腔式天线相当于一个两单元的天线阵。当金属背腔顶面与时域脉冲天线之间的距离(金属背腔高度)等于时域脉冲天线中心频率的四分之一波长时，背向传输的电磁波被金属背腔顶面反射会来后，反射回来的电磁波与正向传输的电磁波同相而使得幅度得到增强(叠加)，从而使得背腔式天线具有定向传输性能。金属腔壁一方面起到固定连接时域脉冲天线与金属腔顶面的作用，另一方面可以防止电磁波能量的侧向泄露，进一步提高背腔式天线的定向传输性能。

现有的具有金属背腔的时域脉冲天线，包括一个平面结构的时域脉冲天线(俗称领结天线)和一个矩形金属背腔，矩形金属背腔的高度等于时域脉冲天线中心频率的四分之一波长。但是普通矩形金属背腔只能在中心频率附近实现反射叠加，对于超宽带的时域脉冲信号则有较大负面影响；同时，任何一个确定高度h的金属背腔相对于超宽带脉冲信号而言都是一个窄带系统，这使得普通矩形金属背腔时域脉冲天线无法满足超宽带的应用要求。测试结果表明，矩形金属背腔式时域脉冲天线发出的时域脉冲信号具有很大的拖尾，会影响目标信号的探测；另外，矩形金属背腔式时域脉冲天线在工作带宽的高频段的增益波动很大，无法满足应用要求。

发明内容

本发明提供一种具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线。该天线能够在保持天线良好的方向性的基础上，保证时域脉冲信号的波形的保真度，消除脉冲拖尾现象；同时，该天线具有整个工作带宽内均衡的增益性能，可满足脉冲探地雷达和超宽带(UWB)通信的应用需求。

本发明技术方案如下：

具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线，如图1所示，包括金属背腔1和时域脉冲天线2，时域脉冲天线2固定连接在金属背腔1的开口处形成整体天线装置，其中金属背腔1顶面与时域脉冲天线2所在平面平行。所述金属背腔1的侧壁为渐变式侧壁，即金属侧壁与金属背腔顶面的夹角大于90度，而与时域脉冲天线的夹角小于90度。其渐变式侧壁可以是平面渐变式侧壁(如图3所示)，也可以是向金属背腔1内部凹陷的曲面渐变式侧壁(如图4所示)，还可以是向金属背腔1外部凸起的曲面渐变式侧壁(如图5所示)。

本发明工作原理如下：

根据电磁理论，电磁波照射到金属表面，会产生反射。如图2所示，将金属背腔1靠近时域脉冲天线2，侧壁和背腔顶面对天线的镜象作用，在背腔上面形成镜象天线7，使背腔式天线形成了一个两单元的天线阵。

由阵列天线理论可知，该天线向下辐射总场为：

E＝E₁(1-e^j2kh)

其中，E₁为领结天线(时域脉冲天线2)自身的辐射电场，k为波数2π/λ₀，λ₀设计为为脉冲信号最强频率点(或中心频率)的波长，h为背腔高度。

背腔侧壁上任意点的高度为h₁，对应有：

h_{1} = \frac{λ_{1}}{4},

且λ₁＜λ₀。侧壁对脉冲最强频率点(或中心频率)以上的频率分量起到加强的作用。可以使脉冲高频分量的幅度和相位得到均衡。

在设计本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线时，先根据需要收发的时域脉冲信号的脉宽和形状，确定脉冲信号的最强工作频率，计算出金属背腔的高度h，然后根据需要均衡的工作频段，选择一定角度的倾斜渐变侧壁或曲面渐变侧壁，最后确定时域脉冲天线的形式和开缝隙数、加载电阻值等参数，组后将金属背腔和时域脉冲天线合成一个整体的天线装置。

本发明的有益效果是：

本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线，能够在保持天线良好的方向性的基础上，保证时域脉冲信号的波形的保真度，消除脉冲拖尾现象；同时，该天线具有整个工作带宽内均衡的增益性能。该天线可用于UWB通讯或探地雷达等领域，进行超宽带时域脉冲信号的接收或发射，实现定向通讯或定向探测。

附图说明

图1是本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线结构示意图。

其中1是金属背腔，2是天线时域脉冲天线，3是介质板，4是金属层，5是缝隙，6是电阻器。

图2是本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线的工作原理示意图。

图3是本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线的具体结构示意图之一。其中金属背腔1的侧壁为平面渐变式侧壁。

图4是本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线的具体结构示意图之二。其中金属背腔1的侧壁为内凹的曲面渐变式侧壁。

图5是本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线的具体结构示意图之三。其中金属背腔1的侧壁为外凸的曲面渐变式侧壁。

图6是本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线的时域脉冲天线2的结构示意图。

图7是本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线与普通矩形金属背腔时域脉冲天线的时域方向图和时域增益比较。其中曲线1为本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线的方向图和时域增益，曲线2为普通矩形金属背腔时域脉冲天线的方向图和时域增益。

图8是普通矩形金属背腔时域脉冲天线的收发波形示意图。

图9是本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线的收发波形示意图。

图10是本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线与普通矩形金属背腔时域脉冲天线的频率增益比较。其中曲线1为本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线的频率增益，曲线2为普通矩形金属背腔时域脉冲天线的频率增益。

具体实施方式：

具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线，如图1所示，包括金属背腔1和时域脉冲天线2，时域脉冲天线2固定连接在金属背腔1的开口处形成整体天线装置，其中金属背腔1顶面与时域脉冲天线2所在平面平行。所述金属背腔的侧壁为渐变式侧壁，即金属侧壁与金属背腔顶面的夹角大于90度，而与时域脉冲天线的夹角小于90度。以下实施方式在具有上述技术特征的基础上，还分别具有各自限定技术特征。

具体实施方式一

如图3所示，所述渐变式侧壁是平面渐变式侧壁。

具体实施方式二

如图4所示，所述渐变式侧壁是向金属背腔1内部凹陷的曲面渐变式侧壁。

具体实施方式三

如图5所示，所述渐变式侧壁是向金属背腔1外部凸起的曲面渐变式侧壁。

具体实施方式四

如图6所示，所述时域脉冲天线2包括介质基片3和金属层4。金属层4位于介质基片表面，金属层4与金属背腔1相互绝缘。金属层4分为左右对称的两个辐射区域，形成一个领结形状，领结张角为90度。两边辐射区域末端分别开有数目相等的缝隙5，每条缝隙上跨接贴片电阻6。

具体实施方式五

结合实施方式一和实施方式五：所述渐变式侧壁是平面渐变式侧壁，且金属侧壁与金属背腔顶面的夹角为105度；所述时域脉冲天线2尺寸为100mm×100mm，领结的张角为90°，工作频率0.8～6GHz，中心频率为3GHz，对应金属背腔高度为25mm；两边辐射区域末端分段等距离开5条缝隙，缝隙宽度为0.5mm；两边辐射区域由内向外，第一缝隙距天线中心点的距离为22mm，第二缝隙距天线中心点的距离为27.2mm，第三缝隙距天线中心点的距离为32.4mm，第四缝隙距天线中心点的距离为37.6mm，第五缝隙距天线中心点距离为42.8mm；第一缝隙上跨接电阻值为3.1Ω的贴片电阻，第二缝隙上跨接电阻值为5.0Ω的贴片电阻，第三缝隙上跨接电阻值为7.7Ω的贴片电阻，第四缝隙上跨接电阻值为12.5Ω的贴片电阻，第五缝隙上跨接电阻值为24.7Ω的贴片电阻。

上述具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线与现有的矩形金属背腔式脉冲时域天线(除金属背腔侧壁的差异外，其他参数均相同)经仿真比较，结果如下：

图7为二者的时域方向图和时域增益比较。其中曲线1为前者的方向图和时域增益，曲线2为后者的方向图和时域增益。由图7可见，在完全同等测量条件下，二者均具有良好的单向辐射性，但前者比后者的时域增益提高了约1dB。这说明本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线能够在保持天线良好的方向性的基础上，具有比普通矩形金属背腔式时域天线更为优良的时域增益性能。

图8为后者的收发波形示意图。发射脉冲的前沿为0.2nS，幅度为200V。用两个相同的普通矩形金属背腔式时域脉冲天线作为收发天线，探测1.5米外一个200×200mm的金属板，其接收波形如图8所示：普通矩形金属背腔时域天线收发的时域脉冲信号具有很大的拖尾，目标信号被淹没在拖尾信号之中，无法实现目标探测。

图9为前者的收发波形示意图。发射脉冲的前沿为0.2nS，幅度为200V。用两个相同的普通矩形金属背腔式时域脉冲天线作为收发天线，探测1.5米外一个200×200mm的金属板，其接受波形如图8所示：本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线收发的时域脉冲信号几乎没有拖尾，目标清晰可见。

图10为二者频率增益比较。其中曲线1为前者的频率增益，曲线2为后者的频率增益。由图10可见：本发明提供的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线的增益更均衡，适合时域脉冲收发的需要；而普通矩形金属背腔时域天线的增益在频带高端波动很大，不符合时域脉冲要求。

Claims

1.具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线，包括金属背腔(1)和时域脉冲天线(2)，时域脉冲天线(2)固定连接在金属背腔(1)的开口处形成整体天线装置，其中金属背腔(1)顶面与时域脉冲天线(2)所在平面平行；其特征在于，所述金属背腔(1)的侧壁为渐变式侧壁，即金属侧壁与金属背腔顶面的夹角大于90度，而与时域脉冲天线的夹角小于90度；

所述时域脉冲天线(2)包括介质基片(3)和金属层(4)；所述金属层(4)位于介质基片(3)表面，金属层(4)与金属背腔(1)相互绝缘；金属层(4)分为左右对称的两个辐射区域，形成一个领结形状，领结张角为90度；两边辐射区域末端分别开有数目相等的缝隙(5)，每条缝隙上跨接贴片电阻(6)。

2.根据权利要求1所述的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线，其特征在于，所述渐变式侧壁是平面渐变式侧壁。

3.根据权利要求1所述的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线，其特征在于，所述渐变式侧壁是向金属背腔(1)内部凹陷的曲面渐变式侧壁。

4.根据权利要求1所述的具有侧壁渐变式金属背腔的时域脉冲天线，其特征在于，所述渐变式侧壁是向金属背腔(1)外部凸起的曲面渐变式侧壁。