CN103682606B - 一种用于穿墙成像雷达的超宽带四元阵天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于穿墙成像雷达的超宽带四元阵天线装置，所述天线装置包括：介质单元、天线单元、平行双线馈电单元、反射腔和连接器，天线单元印制在介质单元底面上；天线单元由数对水滴形天线臂组成；平行双线馈电单元包括呈X形、分别位于介质单元上下表面的第一平行双线和第二平行双线，平行双线接近天线臂的终端按照指数渐变分开并分别与相应天线臂连接，两平行双线中点处通过上下端焊盘和连接器连接；反射腔与介质单元的边沿固定并覆盖住天线单元；连接器的一端与平行双线馈电单元连接，另一端通过反射腔中间的通孔穿出，并固定在反射腔上。本发明的天线装置能够通过连接器直接与收发模块连接，具有比较好的定向辐射能力和宽带特性。

Description

一种用于穿墙成像雷达的超宽带四元阵天线装置

技术领域

本发明涉及用于穿墙成像雷达系统的天线装置。

背景技术

穿墙成像技术是一种能够不需要破坏墙体、具有良好分辨率和穿透深度的快速成像方法，可对隐藏在墙后的目标进行非入侵式探测成像。近年来，穿墙成像探测技术受到了越来越多的关注，尤其在反恐、技侦、军事、搜救等领域具有巨大的应用价值。

我国对穿墙成像技术的研究起步比较晚，目前国内一些大学和科研机构在该领域进行了一些有益的探索也基本处在实验室样机阶段。

目前在国内应用比较多的穿墙成像雷达系统基本都是从美国、加拿大等国家引进了探地雷达产品。因此加快发展我国自己的穿墙成像技术是非常必要的，它不仅可以打破国外技术的垄断，也能够促进我国自身的超宽带穿墙成像技术的发展。

正是在这种国内外背景下，基于多年探地雷达技术的研究与积累，实验室积极研究开发了一套穿墙雷达成像雷达系统。

天线作为雷达系统的一个关键部件，它的功能是完成电磁波的有效辐射和接收。由于天线辐射的电磁波需要两次穿透介质才能被系统接收，受限于电磁波在介质中的衰减与介质散射影响，探测距离比较短，分辨率差，因此需要研究出具有一定增益和带宽的天线满足系统要求。

目前应用于探地雷达的天线主要是平面偶极天线，其中尤以蝶形天线以及其变形结构的天线为主。虽然平面蝶形天线具有比较好的介质耦合性和时域特性。但是这种天线的辐射效率低，发射机产生信号的幅度有限，雷达的探测距离短。所以研究出一种既具有平面偶极子天线特性，又具有比较好的增益与带宽的天线十分必要。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够方便地应用于地面、墙壁等物体掩蔽下的目标探测的超宽带天线装置。本发明所提出的超宽带天线装置是一个四元阵天线，其基本单元是由两个平面水滴形结构组成的偶极子天线，具有馈电方式简单、超宽带和增益高的特点，能够满足系统对探测距离和精度的要求。天线选择水滴形式是因为其形状渐变的平缓性使得阻抗连续性比较好，也有利于缩减尺寸。由于天线使用的定向性要求，使用了金属屏蔽腔来抑制后向辐射。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种超宽带天线装置，该装置包括：介质单元1、天线单元2、平行双线馈电单元、反射腔4以及连接器6，其中：

所述天线单元2印制在所述介质单元的底面上，构成偶极子单元；

所述天线单元2由数对水滴形的天线臂组成；

所述平行双线馈电单元包括呈X形的第一平行双线3和第二平行双线5，第一和第二平行双线3和5分别位于所述介质单元的上表面和下表面，所述平行双线接近天线臂的终端按照指数渐变分开并分别与天线单元中相应的天线臂2连接，两平行双线的中点处通过上端焊盘7、下端焊盘8以及连接器6连接起来；

所述两平行双线与所述天线臂组成一个不平衡馈电的四元阵列天线；

所述反射腔4与所述介质单元1的边沿固定，并覆盖住所述天线单元2；

所述连接器6的一端与所述平行双线馈电单元连接，另一端通过反射腔4中间的通孔穿出，并固定在所述反射腔4上。

本发明的超宽带天线装置馈电方式简单，结构紧凑，可根据需要自由的选择工作方式，同时还具有对工作环境的适应能力强、操作和维护简单等特点。

附图说明

图1为本发明提出的超宽带天线装置的结构示意图；

图2为本发明提出的超宽带天线装置的立体结构图；

图3为根据本发明一实施例的超宽带天线装置中SMA连接器的安装示意图；

图4为根据本发明一实施例的超宽带天线装置的VSWR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。

【主要元件符号说明】

1-FR4介质板； 2-水滴形天线臂；

3,5-平行双线； 4-反射腔；

6-SMA连接器；

7-上端焊盘；

8-下端焊盘；

图1为本发明提出的超宽带天线装置的结构示意图，图2为本发明提出的超宽带天线装置的立体结构图，如图1、2所示，所述超宽带天线装置包括：介质单元1、天线单元2、平行双线馈电单元、反射腔4以及连接器6，其中：

在本发明一实施例中，所述介质单元为FR4介质板，且其厚度为1.5mm；

所述天线单元2通过印刷电路板技术印制在所述介质单元的底面上，构成偶极子单元；在本发明一实施例中，所述天线单元2由数对比如四对水滴形的天线臂组成，所述四对水滴形的天线臂相对放置，相距约半个波长，并选择一个最佳的变化曲率使得天线臂上的反射电流尽量小；所述天线臂的长度约为中心频率对应波长的四分之一，即约为5cm；

所述平行双线馈电单元包括呈X形的第一平行双线3和第二平行双线5，第一和第二平行双线3和5分别位于所述介质单元的上表面和下表面，所述平行双线接近天线臂的终端按照指数渐变分开并分别与天线单元中相应的天线臂2连接，两平行双线的中点处通过上端焊盘7、下端焊盘8以及连接器6连接起来；两平行双线的位置在垂直方向上必须一致，水平方向的宽度相同，长度按照四个偶极子单元组阵后在前向辐射达到最佳增益的需要调节，约为半个波长；所述两平行双线与所述天线臂组成一个不平衡馈电的四元阵列天线；

具体来说，所述平行双线馈电单元中位于介质单元下表面的平行双线的四个终端直接与四对天线臂中的同侧天线臂相连；位于介质单元上表面的平行双线的四个终端通过介质单元上的金属过孔与四对天线臂中的另一侧天线臂相连。

图1右侧的小图为四端口平行双线馈电结构的四分之一分支的放大效果图，从图1中可以看出，四端口平行双线馈电结构的每个四分之一分支在靠近天线臂的末端很小的距离时按指数渐变分开，然后平行双线的八个终端分别与八个天线臂连接；

所述平行双线的阻抗Z₀计算近似公式为：

$Z_0=\frac{{\mathrm{\η}}_0}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\{1n\frac{4h}{w}+\frac{1}{8}{\left(\frac{w}{h}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2({\mathrm{\ϵ}}_r+1)}(1n\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{1n\frac{4}{\mathrm{\π}}}{{\mathrm{\ϵ}}_r})\},$

其中，h为介质单元的厚度，w为微带线宽度，ε_r为介质单元的相对介电常数，η₀为自由空间波阻抗。在本发明一实施例中，h=1.5mm，w=0.2mm，ε_r=4.4。

所述反射腔4比如通过螺母与所述介质单元1的边沿固定，并覆盖住所述天线单元2；在本发明一实施例中，所述反射腔4为五面金属反射腔，其由一个矩形底面以及上下左右四个侧面的金属板组成，所述金属腔的高度约为中心频率对应的自由空间波长的四分之一；

所述连接器6的一端与所述平行双线馈电单元连接，另一端通过反射腔4中间的通孔穿出，并固定在所述反射腔4上，比如通过自身法兰盘，如图3所示；在本发明一实施例中，所述连接器6为SMA连接器，所述SMA连接器与所述平行双线馈电单元连接的一端进一步包括内导体6a、外导体6b，其中：所述内导体6a通过所述介质单元中间的过孔伸出并与所述上端焊盘7相连，所述外导体6b与所述下端焊盘8相连。所述上下焊盘的大小要和所述连接器的内外导体的直径一致，以尽量少破坏馈电的平衡性，并且容易进行焊接操作；

总体而言，本发明的超宽带天线装置的三维尺寸为270*180*50mm³。也就是说，本发明的天线尺寸小巧，馈电方式简单。本发明的超宽带天线装置在整个带宽内VSWR都小于2.3，在0.6GHz到3GHz带宽内都小于2，具有约6:1的带宽，如图4所示。

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 (8)

1.一种超宽带天线装置，其特征在于，该装置包括：介质单元(1)、天线单元(2)、平行双线馈电单元、反射腔(4)以及连接器(6)，其中：

所述天线单元(2)印制在所述介质单元的底面上，构成偶极子单元；

所述天线单元(2)由四对水滴形的天线臂组成，所述四对水滴形的天线臂相对放置，相距约半个波长，其变化曲率使得天线臂上的反射电流尽量小；

所述平行双线馈电单元包括呈X形的第一平行双线(3)和第二平行双线(5)，第一和第二平行双线分别位于所述介质单元的上表面和下表面，所述平行双线接近天线臂的终端按照指数渐变分开并分别与天线单元中相应的天线臂连接，两平行双线的中点处通过上端焊盘(7)、下端焊盘(8)以及连接器(6)连接起来；

所述连接器(6)与所述平行双线馈电单元连接的一端进一步包括内导体(6a)、外导体(6b)，其中：所述内导体(6a)通过所述介质单元中间的过孔伸出并与所述上焊盘(7)相连，所述外导体(6b)与所述下焊盘(8)相连；上下端焊盘的大小与内外导体的直径一致；

所述两平行双线与所述天线臂组成一个不平衡馈电的四元阵列天线；

所述反射腔(4)与所述介质单元(1)的边沿固定，并覆盖住所述天线单元(2)；

所述连接器(6)的一端与所述平行双线馈电单元连接，另一端通过反射腔(4)中间的通孔穿出，并固定在所述反射腔(4)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介质单元为FR4介质板，且其厚度为1.5mm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述天线臂的长度为中心频率对应波长的四分之一。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两平行双线的位置在垂直方向上一致，水平方向的宽度相同，长度按照四个偶极子单元组阵后在前向辐射达到最佳增益的需要调节。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平行双线馈电单元中位于介质单元下表面的平行双线的四个终端直接与四对天线臂中的同侧天线臂相连；位于介质单元上表面的平行双线的四个终端通过介质单元上的金属过孔与四对天线臂中的另一侧天线臂相连。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平行双线的阻抗Z₀为：

$Z_0=\frac{{\mathrm{\η}}_0}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\{ln\frac{4h}{w}+\frac{1}{8}{\left(\frac{w}{h}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2({\mathrm{\ϵ}}_r+1)}(ln\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{ln\frac{4}{\mathrm{\π}}}{{\mathrm{\ϵ}}_r})\},$

其中，h为介质单元的厚度，w为微带线宽度，ε_r为介质单元的相对介电常数，η₀为自由空间波阻抗。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射腔的高度为中心频率对应的自由空间波长的四分之一。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接器(6)为SMA连接器。