CN103633428A

CN103633428A - 一种用于手持式穿墙雷达的超宽带天线

Info

Publication number: CN103633428A
Application number: CN201310060873.7A
Authority: CN
Inventors: 纪奕才; 邵金进; 陈洁; 方广有; 阴和俊
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明公开了一种用于手持式穿墙雷达的超宽带天线，该天线包括：介质板、两个金属天线臂，四个加载电阻，金属矩形反射腔，阻抗变压器和射频同轴连接器，其中：两个金属天线臂相对印制在介质板的底面，构成一个平面超宽带偶极子天线；金属矩形反射腔为具有一开口面的腔体，介质板的边沿通过螺母与金属矩形反射腔的开口面固定，金属矩形反射腔的开口面用于安装金属天线臂；四个加载电阻分别焊接于金属天线臂的两端与金属矩形反射腔的侧壁之间；阻抗变压器的平衡输出端分别与两个金属天线臂相连；射频同轴连接器焊接在阻抗变压器的输入端与穿墙雷达的发射机和接收机之间。本发明提出的超宽带天线具有不平衡馈电结构，比较好的定向辐射能力和抗干扰能力。

Description

一种用于手持式穿墙雷达的超宽带天线

技术领域

本发明涉及用于手持式穿墙雷达的超宽带天线装置。

背景技术

随着国家基础建设投入的不断加大，土木建筑市场、工程规模和复杂程度都在不断增加，如何做好监理，保证质量是一个比较关键的问题。超宽带穿墙雷达是一种能够穿墙探测和定位的实时成像雷达系统，可以对隐藏在墙内的金属目标或是非均匀介质结构进行非入侵式探测以及跟踪成像。近年来，因其在质量检测和灾害防护等领域的应用而倍受关注。

天线作为超宽带雷达不可或缺的部件，影响着整个系统的性能。由于墙体内部结构比较复杂，探测目标较小，同时受限于墙体对电磁波的衰减与散射影响，雷达系统对天线的性能要求比较高。因此为了减少直耦波以及辐射波形拖尾对浅层目标的掩盖，需要研究出具有时域特性良好的天线来满足系统的要求。

目前超宽带雷达常用的天线形式主要有偶极天线、喇叭天线和Vivaldi天线。由于穿墙雷达直接工作于墙体近表面，因此天线与墙体需要有比较好的耦合，同时作为手持式设备要求雷达系统的整体尺寸紧凑，这也直接约束了天线的尺寸。常用的喇叭天线和Vivaldi天线都属于空气耦合天线，近地耦合特性较差，且它们都具有大的尺寸，不利于系统的便携式设计。所以具有平面偶极子形式的天线对穿墙雷达是比较合理的选择。

发明内容

基于上述，本发明提出一种用于手持式穿墙雷达的超宽带天线，该天线包括：介质板、两个金属天线臂，四个加载电阻，金属矩形反射腔，阻抗变压器和射频同轴连接器，其中：

所述两个金属天线臂相对印制在所述介质板的底面，构成一个平面超宽带偶极子天线；

所述金属矩形反射腔为具有一开口面的长方体形状的腔体，所述介质板的边沿通过螺母与所述金属矩形反射腔的开口面固定，所述金属矩形反射腔的开口面用于安装所述金属天线臂；

所述四个加载电阻分别焊接于所述金属天线臂的两端与所述金属矩形反射腔的侧壁之间，构成一个加载回路；

所述阻抗变压器的平衡输出端分别与两个金属天线臂相连，用于进行阻抗匹配；

所述射频同轴连接器引脚的一端焊接在所述阻抗变压器的输入端，另一端与穿墙雷达的发射机和接收机直接相连。

本发明提出的用于手持式穿墙雷达的超宽带天线集成在一个手持式的穿墙雷达系统中，该天线具有工作宽带大、时域特性好、整体体积小，便于集成、且馈电方式简单的特点，能够满足系统对探测距离和精度的要求。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的手持式穿墙雷达天线的平面示意图；

图2为根据本发明一实施例的手持式穿墙雷达天线的立体结构图；

图3为根据本发明一实施例的搭载1∶4阻抗变压器的介质板印制图；

图4为根据本发明一实施例的手持式穿墙雷达超宽带天线前方50cm处放置一块20cm*20cm的矩形金属板时矢量网络分析仪的接收波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

【主要元件符号说明】

1、2、3、4-天线末端的加载电阻；5、6-梯形金属天线臂；

7-加载电阻的一个引脚；8-金属矩形反射腔；

9-介质板；10-阻抗变压器的平行双线输出端；

11-搭载阻抗变压器的FR4介质小板；12-阻抗变压器的PCB元件封装图；

13-阻抗变压器的微带输入端；

图1为根据本发明一实施例的用于手持式穿墙雷达的超宽带天线的平面示意图，如图1所示，根据本发明的一实施例，本发明所提出的用于手持式穿墙雷达的超宽带天线包括：介质板9、两个金属天线臂5、6，四个加载电阻1、2、3、4，金属矩形反射腔8，阻抗变压器和射频同轴连接器，其中：

所述介质板9可以为环氧树脂介质板，优选为环氧树脂玻璃纤维布FR4介质板，其厚度为1mm。

所述射频同轴连接器可以为SMA-KE，优选为SMA-KE加长型。

所述两个金属天线臂5、6通过电路板印制技术相对印制在所述介质板9的底面，构成一个平面超宽带偶极子天线。所述金属天线臂可以为梯形、圆形、三角形、半椭圆等形式，以下以梯形为例对本发明进行介绍，梯形金属天线臂的上底边宽度即馈电处宽度，以及两个相对的梯形金属天线臂之间的间距根据输入阻抗设计的需要来进行调整，以达到最好的端口特性。

金属矩形反射腔8为具有一开口面的腔体，该腔体的开口面可以为长方形、抛物面、梯形或圆柱面等形状，以下以具有长方形开口面的金属矩形反射腔为例对本发明进行介绍，所述具有长方形开口面的金属矩形反射腔由五个金属面组成，所述金属矩形反射腔8的腔体的开口面用于安装所述梯形金属天线臂，所述介质板的边沿通过螺母与所述金属矩形反射腔的开口面固定，所述金属矩形反射腔8的高度为中心频率对应的自由空间波长的十分之一，约为25mm。

四个加载电阻1、2、3、4分别焊接于梯形金属天线臂下底边的两端与所述金属矩形反射腔8的侧壁之间，构成一个加载回路，具体地：所述加载电阻引脚7的一端焊接于梯形金属天线臂下底边的一端，另一端与所述金属矩形反射腔8的侧壁相接触，所述加载电阻的阻值，也即天线输入阻抗为200Ω。

所述阻抗变压器为1∶4阻抗变压器，其平衡输出端分别与两个梯形金属天线臂相连，用于进行阻抗匹配，具体地，所述1∶4阻抗变压器具有将50Ω不平衡输入阻抗变换到200Ω平衡馈电输出的能力。

所述射频同轴连接器引脚的一端焊接在所述阻抗变压器的输入端，另一端与穿墙雷达的发射机和接收机直接相连，具体地，所述射频同轴连接器引脚的一端与所述阻抗变压器的微带输入端焊接相连，另一端的阴极接头作为雷达系统的发射或接收模块的接入端。

由此，所述的超宽带天线具有不平衡馈电结构，能够直接与发射机或接收机连接，同时具有比较好的定向辐射能力和抗干扰能力。

图2为根据本发明一实施例的手持式穿墙雷达天线的立体结构图。图2中，梯形金属天线臂5、6通过印刷电路板技术相对印制在介质板9的底面，所述梯形金属天线臂的长度约为中心频率对应波长的四分之一，约为3.4cm；金属矩形反射腔8为一个一面开口的金属矩形反射腔，高度为25mm，所述金属矩形反射腔8开口面的大小与梯形金属天线臂所在的介质板9的尺寸大小一致，梯形金属天线臂所在的介质板9安装在金属矩形反射腔8的开口面上。

图3为根据本发明一实施例的搭载1∶4阻抗变压器的介质板印制图，如图3所示，所述1∶4阻抗变压器由一个商用的1∶4传输线变压器和一个自行设计的用于搭载传输线变压器的FR4介质小板11组成；所述FR4介质小板11采用印刷电路板技术印制，上面印制有传输线变压器的PCB元件封装图，即12；所述1∶4阻抗变压器的输入端13印制有50Ω的微带线，用于焊接所述射频同轴连接器的引脚；所述1∶4阻抗变压器的输出端10印制有200Ω的共面平行双线，用于连接所述两个梯形金属天线臂，所述输出端10的长度保持很短，以减少传输损耗与失配引起的反射。

图4为本发明超宽带天线前方50cm处放置一块20cm*20cm的矩形金属板时矢量网络分析仪的接收到的时域波形图，其中第一个时域回波为天线间的直耦波，第二个时域波形为天线前方50cm处一块20cm*20cm的矩形金属板的散射信号，从图4中可以看到本发明超宽带天线具有较好时域特性，能比较清楚的显示目标信号。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于手持式穿墙雷达的超宽带天线，其特征在于，该天线包括：介质板、两个金属天线臂，四个加载电阻，金属矩形反射腔，阻抗变压器和射频同轴连接器，其中：

所述金属矩形反射腔为具有一开口面的腔体，所述介质板的边沿通过螺母与所述金属矩形反射腔的开口面固定，所述金属矩形反射腔的开口面用于安装所述金属天线臂；

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述介质板为厚度为1mm的环氧树脂玻璃纤维布介质板。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述金属天线臂通过电路板印制技术相对印制在所述介质板的底面，其长度约为中心频率对应波长的四分之一。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，两个相对的金属天线臂之间的间距根据输入阻抗设计的需要来进行调整。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述金属天线臂为梯形、圆形、三角形或半椭圆。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述金属矩形反射腔腔体的开口面为长方形、抛物面、梯形或圆柱面，且所述金属矩形反射腔的高度为中心频率对应的自由空间波长的十分之一。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述加载电阻的阻值为200Ω。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述阻抗变压器为1∶4阻抗变压器。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述1∶4阻抗变压器包括一1∶4传输线变压器和一用于搭载传输线变压器的FR4介质小板。

10.根据权利要求9所述的天线，其特征在于，所述FR4介质小板上面印制有传输线变压器的PCB元件封装图；所述1∶4阻抗变压器的输入端印制有50Ω的微带线，用于焊接所述射频同轴连接器的引脚；所述1∶4阻抗变压器的输出端印制有200Ω的共面平行双线，用于连接所述两个金属天线臂。