CN104022347B - 自补型雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自补型雷达天线。该自补型雷达天线包括：金属腔体，其上端面开口，其下端形成一凹入的背腔；绝缘介质板，固定于金属腔体的上端面开口处；蝶形天线臂，由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质板上，包括顶端相对，且中心对称的第一天线臂单元和第二天线臂单元，两天线臂单元的两底端分别朝向蝶形天线臂内侧对称延伸，形成两条矩形微带线；第一天线臂单元的矩形微带线与处于同侧的第二天线臂单元的矩形微带线对称，两者隔开第二预设距离且通过电阻电性连接。本发明自补型雷达天线的基本单元由一个对称蝶形偶极子和矩形微带线组成，矩形微带线末端采用电阻加载，具有超宽带的特点，满足系统对探测距离和精度的要求。

Description

自补型雷达天线

技术领域

本发明涉及电子行业雷达技术领域，尤其涉及一种自补型雷达天线。

背景技术

近三十年，由于穿墙生命目标的雷达探测技术在反恐、军事、搜救、安检等领域具有巨大应用价值而倍受关注，超宽带雷达技术随之发展迅速。超宽带雷达技术是一种具有良好分辨率和穿透深度的雷达探测方法，可对墙后隐蔽或运动目标进行非侵入式探测以及跟踪成像，因此超宽带雷达技术的进步也将会提高人们对自然灾害、恐怖主义的防御能力。

我国对超宽带雷达技术的研究起步较晚，偏重于理论研究，工程样机多停留在实验室阶段，大规模工程应用较少。国内一些工程勘探部门、研究院所和大学先后从美国、加拿大等国家引进超宽带雷达产品，推动了我国超宽带雷达技术的发展。

天线作为雷达系统的一个关键部件，从能量的角度来看，它的功能是完成能量转换，即有效辐射和接收电磁波。天线的性能直接影响雷达系统的分辨率和探测距离。由于墙体的色散作用、多散射体的干扰、目标的雷达散射截面等限制，生命探测雷达需要研制出方向性好、超宽带的天线，尤其是对于时域脉冲体制的穿墙雷达而言，还需要天线辐射的信号拖尾少、振荡小。

目前应用于穿墙生命目标检测的天线多为阻抗加载蝶形天线、TEM喇叭天线和Vivaldi天线。阻抗加载蝶形天线的平面结构有利于天线与介质的耦合，能有效地消除天线末端的二次反射，但是这种天线的辐射效率有待进一步提高。若发射机产生信号的幅度有限，就会影响雷达的探测距离。TEM喇叭天线和Vivaldi天线一定程度上都存在天线与墙面耦合不太好的问题，而且一般体积较大，不利于系统的便携式设计。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种自补型雷达天线，以减小天线尺寸，满足系统对探测距离和精度、便携性等要求。。

(二)技术方案

本发明自补型雷达天线包括：金属腔体5，其上端面开口，其下端形成一凹入的背腔；绝缘介质板6，固定于金属腔体5的上端面开口处；蝶形天线臂1，由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质板6上，包括顶端相对，且中心对称的第一天线臂单元和第二天线臂单元，该第一天线臂单元和第二天线臂单元均呈等腰三角形的形状，两者的顶端隔开第一预设距离。其中，第一天线臂单元的两底端分别沿平行于等腰三角形对称轴的方向朝向蝶形天线臂1内侧对称延伸，形成两条矩形微带线2；第二天线臂单元的两底端分别沿平行于等腰三角形对称轴的方向朝向蝶形天线臂1内侧对称延伸，形成两条矩形微带线，第一天线臂单元的矩形微带线与处于同侧的第二天线臂单元的矩形微带线对称，两者隔开第二预设距离且通过电阻电性连接。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明自补型雷达天线具有以下有益效果：

(1)本发明自补型雷达天线的基本单元由一个对称蝶形偶极子和矩形微带线组成，矩形微带线末端采用电阻加载，具有超宽带的特点，满足系统对探测距离和精度的要求；

(2)本发明自补型雷达天线中，天线臂末端采用矩形微带线，构成环状，有利于缩减尺寸，增加带宽，减小生命探测雷达系统的体积；

(3)本发明自补型雷达天线中，金属背腔可以屏蔽外界电磁干扰，增加辐射方向性，满足生命探测雷达天线的定向性要求；

(4)本发明自补型雷达天线的馈电方式简单，容易加工，有利于产品化。

附图说明

图1为本发明实施例自补型雷达天线的主视立体结构示意图；

图2为本发明实施例自补型雷达天线中后视立体结构示意图；

图3为本发明实施例自补型雷达天线的VSWR仿真曲线图；

图4为本发明实施例自补型雷达天线面输入端口阻抗特性图；

【主要元件符号说明】

1-蝶形天线臂； 2-矩形微带线；

3-电阻； 4-1～4-6—螺孔(螺钉)；

5-金属腔体； 6-介质板；

7-金属背腔侧臂； 8-金属封装盒。

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。附图中未绘示或描述的实现方式，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。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种用于穿墙生命探测的自补型雷达天线，该天线对应自由空间的中心工作频率为1.5GHz。图1为本发明实施例自补型雷达天线的立体结构示意图。如图1所示，本发明实施例自补型雷达天线包括：

金属腔体5，其上端面开口，其下端形成一凹入的背腔；

绝缘介质板6，固定于金属腔体5的上端面开口处；

蝶形天线臂1，由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质板6上，包括顶端相对，且中心对称的第一天线臂单元和第二天线臂单元，该第一天线臂单元和第二天线臂单元均呈等腰三角形的形状，两者的顶端隔开第一预设距离；

其中，第一天线臂单元和第二个天线臂的两底端分别沿平行于等腰三角形对称轴的方向朝向内侧对称延伸，形成矩形微带线2；第一天线臂单元的矩形微带线与第二天线臂单元的矩形微带线隔开第二预设距离，且通过电阻连接。

以下分别对本实施例自补型雷达天线的各个组成部分进行详细说明。

金属腔体5产生镜像电流，增加了天线的辐射方向性，同时可以屏蔽外界电磁干扰。

请参照图1，金属腔体5仅保留其底壁、左侧壁及右侧壁，其前侧壁和后侧壁，即第一天线臂单元和第二天线臂单元底边对应的壁，被省略。背腔的高度H为天线工作中心频率对应自由空间波长的四分之一。

本领域技术人员应当清楚，金属腔体5的前侧面和背侧面对应的是天线的H面，即磁面。H面的金属壁不影响天线的辐射性能，因此，从节约成本和便于维护的原则出发，所述的金属背腔H面所对应的侧壁被去掉。

需要说明的是，本发明的其他实施例中，金属腔体同时具有底壁、左侧壁、右侧壁、前侧壁和后侧壁，同样可以实现本发明。

此外，请参照图1，金属腔体5的左侧壁和右侧壁向外侧延伸，形成条带状的翼部，该翼部的宽度约为10mm，其上加工有螺孔，用于固定绝缘介质板。

本实施例中，金属腔体由厚度为1mm的铝合金板材经弯折制成，制备非常简便，极大的节约了成本。

绝缘介质板为环氧树脂玻璃纤维介质板，其厚度介于0.5毫米至3毫米之间，其介电常数为4.4，覆盖于金属腔体5的上端面开口，其左右两侧通过螺钉(4-1～4-6)固定在金属腔体5的翼部上。

本实施例中，螺钉和螺孔的直径为2.5毫米，优选数量为六个，也可视实际加工需要更改。

其中，绝缘介质板6一方面作为蝶形天线臂1和矩形微带线2的载体，另一方面也影响天线臂和矩形微带线的尺寸，即当绝缘介质板6厚度发生变化时，介质板表面的带线宽度需要进行微调。

蝶形天线臂1的材质为黄铜，呈平面状，形成于绝缘介质板6上，包括顶端相对，且中心对称的第一天线臂单元和第二天线臂单元。该第一天线臂单元和第二天线臂单元构成一对偶极子单元，两者之间隔开的第一预设距离为2mm，以便于馈电。两天线臂单元的长度A为天线工作中心频率对应自由空间波长λ的1/4，宽度B为天线工作中心频率对应自由空间波长λ的4/5。

需要说明的是，第一天线臂单元和第二天线臂单元顶端隔开的第一预设距离不局限于上述的2mm，其可以在0.5mm至5mm之间进行选择。此外两天线臂单元的长度和宽度也可以根据绝缘介质板6的材质等因素进行微调，但微调的幅度不超过10％。

矩形微带线2，连接于天线臂单元底端，其中任意一个天线臂单元底端的两段矩形微带线互相平行；两个天线臂单元同侧底端所连接的矩形微带线为对称设置，并隔开一定距离，优选为2mm，为一般贴片电阻的长度。矩形微带线的长度约等于天线臂的长度，宽度约为4mm。贴片电阻3仿真最优阻值为220Ω。在实际工程应用中，可视贴片电阻阻值的实际情况而略为浮动，浮动的幅度不超过10％，即大致介于200Ω～250Ω之间。

本领域技术人员应当清楚，依照天线的中心频率，矩形微带线的宽度可以在2mm～10mm之间进行调整。而两个天线臂单元同侧底端所连接的矩形微带线隔开的距离是根据天线的中心频率，以及贴片电阻的尺寸也可以在2mm～10mm之间进行调整。

本实施例中，两个天线臂单元及矩形微带线均为通过印刷电路板工艺印制在环氧树脂玻璃纤维布介质板上的铜箔。

本发明自补型雷达天线的天线部分由一个对称蝶形偶极子和矩形微带线组成，矩形微带线末端采用电阻加载，具有超宽带的特点，满足系统对探测距离和精度的要求。此外，天线臂单元末端采用矩形微带线构成环状，有利于缩减尺寸，增加带宽，减小生命探测雷达系统的体积。

为了实现天线的整体功能，本实施例自补型雷达天线还包括：金属封装盒8、阻抗变换器和SMA连接器。金属封装盒8固定于金属腔体的底壁和绝缘介质板之间，其横截面呈矩形，长宽分别为8毫米和6毫米，高度为绝缘介质板到金属腔体底壁的距离。阻抗变换器，其平衡输出端分别与两个天线臂始端馈电处连接，并由金属封装盒8固定；阻抗变换器的阻抗变换比为1:2，优选驻波反射系数小，插入损耗小的阻抗变换器。SMA连接器，引脚端与1:2阻抗变换器的输入端焊接，另一端伸出金属封装盒并与雷达发射/接收模块连接。

本发明中，所述的阻抗变换器平衡输出端，与天线臂始端馈电处焊接。在实际产品PCB板加工时，可以在天线中心处放置过孔，天线的馈电点处也可放置焊盘。为避免破坏馈电平衡性，焊盘大小应对称一致。

图3为本发明实施例自补型雷达天线的VSWR仿真试验曲线图。在频带为0.5GHz～0.75GHz时，VSWR<1.35；在为0.75GHz～1GHz时，VSWR<1.7；在1GHz～2.5GHz时，大部分频带内VSWR<1.1。按照一般天线应用VSWR<2，可以看出天线在0.5GHZ-2.5GHZ频带范围内都能非常好地满足要求，并且由图3可看出天线在频带上限或频带下限仍保持小于2的趋势，天线的相对带宽远超100％。

图4为本发明实施例自补型雷达天线的输入端口阻抗图。在频带范围内，可以看出天线的输入阻抗实部保持在100欧左右，虚部保持在0附近，说明天线端口反射较小。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明自补式雷达天线有了清楚的认识。

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，例如：

(1)蝶形天线臂1和矩形微带线2的加工材质还可以是其他金属，例如：金、银和锡等；

(2)背腔底壁的矩形面可以用抛物面或是圆柱面代替；

(3)除了生命探测雷达的应用领域之外，该自补型雷达天线还可以应用于其他领域。

综上所述，本发明自补式雷达天线具有超宽带、良好的定向辐射、较好的抗干扰性、端口阻抗匹配良好、馈电方式简单、体积小易于集成等特点，能满足生命探测雷达系统对探测距离和精度的要求，同时也满足便携式设计要求。

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 (9)

1.一种自补型雷达天线，其特征在于，包括：

金属腔体(5)，其上端面开口，其下端形成一凹入的背腔；

绝缘介质板(6)，固定于所述金属腔体(5)的上端面开口处；

蝶形天线臂(1)，由金属材料制备，呈平面状形成于所述绝缘介质板(6)上，包括顶端相对，且中心对称的第一天线臂单元和第二天线臂单元，该第一天线臂单元和第二天线臂单元均呈等腰三角形的形状，两者的顶端隔开第一预设距离；

其中，所述第一天线臂单元的两底端分别沿平行于等腰三角形对称轴的方向朝向蝶形天线臂(1)内侧对称延伸，形成两条矩形微带线(2)；所述第二天线臂单元的两底端分别沿平行于等腰三角形对称轴的方向朝向蝶形天线臂(1)内侧对称延伸，形成两条矩形微带线，所述第一天线臂单元的矩形微带线与处于同侧的第二天线臂单元的矩形微带线对称，两者隔开第二预设距离且通过电阻电性连接；

其中，所述金属腔体(5)下端的背腔的底壁为矩形面、抛物面或圆柱面；所述金属腔体(5)中，与第一天线臂单元和第二天线臂单元底边对应的前侧壁和后侧壁省略，该金属腔体(5)由铝合金板材经弯折制成；所述金属腔体(5)的左侧壁和右侧壁分别朝向外侧延伸，形成条带状的翼部，所述绝缘介质板(6)的两侧通过螺钉固定在该翼部上。

2.根据权利要求1所述的自补型雷达天线，其特征在于，所述第一天线臂单元和第二天线臂单元的长度A和宽度B满足：

A＝λ/4；B＝4λ/5

其中，λ为天线工作中心频率对应自由空间波长。

3.根据权利要求1所述的自补型雷达天线，其特征在于，所述第一天线臂单元和第二天线臂单元顶端隔开的第一预设距离介于0.5mm至5mm之间。

4.根据权利要求1所述的自补型雷达天线，其特征在于：

所述矩形微带线的宽度介于2mm～10mm之间；

所述第一天线臂单元的矩形微带线与处于同侧的第二天线臂单元的矩形微带线隔开的第二预设距离介于2mm～10mm之间。

5.根据权利要求1所述的自补型雷达天线，其特征在于，所述第一天线臂单元的矩形微带线与处于同侧的第二天线臂单元的矩形微带线通过贴片电阻电性连接，该贴片电阻的阻值介于200Ω～250Ω之间。

6.根据权利要求1所述的自补型雷达天线，其特征在于，所述背腔的高度H为天线工作中心频率对应自由空间波长λ的1/4。

7.根据权利要求1所述的自补型雷达天线，其特征在于，所述蝶形天线臂(1)和矩形微带线(2)的材料为铜、金、银或锡。

8.根据权利要求7所述的自补型雷达天线，其特征在于：

所述绝缘介质板(6)为环氧树脂玻璃纤维布介质板；

所述蝶形天线臂(1)及矩形微带线(2)为通过印刷电路板工艺印制在所述环氧树脂玻璃纤维布介质板上的铜箔。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的自补型雷达天线，其特征在于，还包括：

金属封装盒(8)，固定于金属腔体的底壁和绝缘介质板之间；

阻抗变换器，其平衡输出端分别与两个天线臂始端馈电处连接，并由所述金属封装器(8)固定；以及

SMA连接器，其引脚端与所述阻抗变换器的输入端焊接，另一端伸出金属封装盒并与雷达发射/接收模块连接。