CN104953257B - 超宽带雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超宽带雷达天线。该超宽带雷达天线包括：发射侧组件和接收侧组件。其中，发射侧组件包括：向上开口的发射侧金属背腔1；盖设于发射侧金属背腔上部开口的发射侧绝缘介质板16；制备于发射侧绝缘介质板表面的发射天线2。接收侧组件包括：向上开口的接收侧金属背腔7；盖设于接收侧金属背腔上部开口的接收侧绝缘介质板17；制备于接收绝缘介质板表面的接收天线6；其中，发射侧金属背腔1和接收侧金属背腔7通过金属材料固定连接，所述发射天线2和接收天线6处在同一水平面上。本发明超宽带雷达天线采用带金属背腔的平面蝶形天线，天线整体尺寸较小，且与墙面耦合良好，具有良好的宽带特性。

Description

超宽带雷达天线

技术领域

本发明涉及电子行业雷达技术领域，尤其涉及一种超宽带雷达天线。

背景技术

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，可以有效地对墙体内或墙后的隐蔽目标进行非侵入式探测。在市政工程、建筑行业质量检测、道路病害等行业，超宽带雷达技术能够高效准确作业，有助于提高工程建设质量和可靠性，具有较大的经济价值。尤其在建筑中，水电布线、钢筋浇筑等质量检测、隐患排除中，超宽带雷达技术大有用武之地。

超宽带雷达技术兴起于二十世纪七八十年代，我国研究起步较晚，多侧重于理论研究、实验室样机研制等。经过几十年发展，国内的一些科研机构、工程院所引进和自主研制了雷达样机，促进了我国超宽带雷达技术的发展。天线作为一个关键子系统，受到了众多关注。天线的作用在于将发射电信号转换为电磁波辐射到媒质中，再接收来自媒质中的回波。天线的性能直接决定雷达系统的探测距离和精度。墙体内目标探测一般集中在管线，钢筋等目标物，分辨单元一般在厘米级，要求天线具有大带宽、工作中心频率一般为1～3GHz。同时，穿墙目标探测的应用范畴要求天线具有紧凑的结构，便于手持式作业，所以无载频脉冲体制的雷达作为首选。这也进一步要求雷达天线具有拖尾少、低振铃的时域特性。

目前应用于穿墙目标检测的天线多为阻抗加载平面蝶形天线、TEM喇叭天线和Vivaldi天线。但是，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，本发明提供了一种超宽带雷达天线，以解决天线和墙面耦合不太好的问题，并且增强其便携性。

(二)技术方案

本发明超宽带雷达天线包括：发射侧组件和接收侧组件。其中，发射侧组件包括：向上开口的发射侧金属背腔1；盖设于发射侧金属背腔上部开口的发射侧绝缘介质板16；制备于发射侧绝缘介质板表面的发射天线2。接收侧组件包括：向上开口的接收侧金属背腔7；盖设于接收侧金属背腔上部开口的接收侧绝缘介质板17；制备于接收绝缘介质板表面的接收天线6；其中，发射侧金属背腔1和接收侧金属背腔7通过金属材料固定连接，所述发射天线2和接收天线6处在同一水平面上。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明超宽带雷达天线采用带金属背腔的平面蝶形天线，并采用吸波海绵加载的方式，天线整体尺寸较小，且与墙面耦合良好，具有良好的宽带特性。

附图说明

图1为本发明实施超宽带雷达天线的主视立体结构示意图；

图2为本发明实施例超宽带雷达天线中仰视立体结构示意图；

图3为本发明实施例超宽带雷达天线的VSWR仿真曲线图；

图4为本发明实施例超宽带雷达天线应用于钢筋探测测试图。

【主要元件符号说明】

1-发射侧金属背腔； 2-发射天线

3、5-支撑架； 4-金属连接板；

6-接收天线； 7-接收侧金属背腔；

8～11-螺孔(螺钉)； 12～15-螺孔(螺钉)；

16-发射侧绝缘介质板； 17-接收侧绝缘介质板。

具体实施方式

本发明提供了一种超宽带雷达天线，其能够满足墙体内目标探测对探测距离和精度的要求，同时也满足便携式设计要求。

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，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，将不再详细说明。

在本发明的一个实施例中，提出了一种用于墙内钢筋探测的超宽带雷达天线，该天线中心频率为1.6GHz。

图1为本发明实施超宽带雷达天线的主视立体结构示意图。图2为本发明实施例超宽带雷达天线中仰视立体结构示意图。如图1和图2所示，本实施例超宽带雷达天线包括：发射侧组件和接收端组件。发射侧组件包括：向上开口的发射侧金属背腔1；盖设于金属背腔上部开口的发射侧绝缘介质板16；制备于绝缘介质板表面的发射天线2。接收侧组件包括：向上开口的接收侧金属背腔7；盖设于金属背腔上部开口的接收侧绝缘介质板17；制备于绝缘介质板表面的接收天线6。其中，发射侧金属背腔1和接收侧金属背腔7通过金属连接板4固定连接在一起，且发射天线2和接收天线6处在同一水平面上。

以下分别对本实施例超宽带雷达天线的各个组成部分进行详细说明。

请参照图1和图2，发射侧金属背腔1和接收侧金属背腔7形状和结构相同，两者的功能同为增强了天线的辐射方向性，同时抑制天线后向干扰。发射侧金属背腔1和接收侧金属背腔7为长方体形状的背腔，两者的深度为超宽带雷达天线工作中心频率对应自由空间波长的十分之一。

以发射侧金属背腔1为例，其由0.5～1mm的铝合金板材加工而成，具有底壁、左侧壁、右侧壁、前侧壁和后侧壁。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，除了底壁之外，左侧壁、右侧壁、前侧壁和后侧壁中的两个可以省略，只要另外两个能够固定上方的绝缘介质板即可。并且，发射侧金属背腔1和接收侧金属背腔7的材料、形状和尺寸可以相同，也可以不同，此处不再赘述。

两个金属背腔之间通过相对的两块金属连接板4固定连接。本领域技术人员应当清楚，该两个金属背腔还可以通过其他方式固定连接，例如通过四段金属杆。

本实施例中，发射侧绝缘介质板和接收侧绝缘介质板的材料、形状和尺寸。该绝缘介质板为环氧树脂板，其形状为方形板，与金属背腔的上方开口的形状相对应，尺寸为56mm*100mm，厚度介于0.5毫米至3毫米之间，其介电常数为4.4。需要说明的是，绝缘介质板还可以是由其他材料制备，并且其尺寸可根据需要进行调整，只要能够承载相应的发射天线或接收天线即可。

请参照图2，发射侧金属背腔1和接收侧金属背腔7的前侧壁和后侧壁向外侧延伸，形成条带状的翼部，该翼部的宽度约为10mm，其上加工有螺孔，用于固定相应的绝缘介质板(16或17)。

在发射侧，绝缘介质板16通过螺钉(8～11)固定在金属背腔1上方的翼部。在接收侧，绝缘介质板17通过螺钉(12～15)固定在金属背腔17上方的翼部。其中，螺钉和螺孔的直径为2.5毫米，每个金属背腔螺孔(螺钉)优选数量为4个，也可视实际加工需要更改。

金属背腔1和7内均填充吸波海绵，吸波海绵与金属背腔和绝缘介质板均保持接触。本领域技术人员应当清楚，吸波海绵一般为铁氧体吸波材料，能对目标频段的电磁波起到吸收作用，具有结构紧凑超宽带的特性，满足系统对探测精度的要求。此处吸波材料介电常数约为2.2，损耗正切约为0.001S/m。

在绝缘介质板和金属背腔的底壁之间，还设置有支撑架(3和5)。支撑架3和5尺寸相同，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背腔底壁的距离。本实施例中，支撑架3和5为金属盒，其壁厚约0.5mm，用于固定和封装超宽带雷达天线的发射机和接收机端口。

请参照图1和图2，发射天线2加工于上述发射侧绝缘介质板16的上表面，接收天线6加工于上述接收侧绝缘介质板17的上表面，两者均为通过印刷电路板工艺印制在环氧树脂玻璃纤维介质板上的铜箔。需要说明的是，发射天线2(接收天线6)可以位于发射侧绝缘介质板16(接收侧绝缘介质板17)的上表面或下表面，本发明并不对其进行限制。

发射天线2和接收天线6均为平面蝶形天线，两者的形状相同。该平面蝶形天线包括两个隔开的天线臂，呈中心对称构造。每一个天线臂由半圆部分和矩形部分连接而成，其中半圆部分的半径为10毫米，矩形部分宽10毫米，长21毫米。在同一平面蝶形天线中，两天线臂半圆部分的弧顶相对设置，并间隔2mm。需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要设计两天线臂半圆部分的弧顶的距离，一般情况下，该距离在0.5～4毫米之间变动。金属背腔1和7之间的间距，即连接板4的宽度为36mm。

图3为本发明实施例雷达天线的VSWR仿真试验曲线图。在频带为0.8～3.6GHz时，VSWR＜1.8。按照一般穿墙成像雷达天线应用VSWR＜2，可以看出天线在0.8-3.6GHZ频带范围内都能非常好地满足要求。

图4为本发明实施例雷达天线与发射机及接收机集成后墙体钢筋实测图。在图中可以看到，墙体内钢筋成像结果明显，分辨率高，能够很清楚地判定钢筋的位置。

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；

(3)除了墙体目标探测的应用领域之外，该雷达天线还可以应用于其他领域。

综上所述，本发明雷达天线具有超宽带、结构紧凑等特点，能够满足墙体目标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 (7)

1.一种超宽带雷达天线，其特征在于，包括：

发射侧组件，包括：

向上开口的发射侧金属背腔(1)；

盖设于发射侧金属背腔上部开口的发射侧绝缘介质板(16)；

制备于发射侧绝缘介质板表面的发射天线(2)；

接收侧组件，包括：

向上开口的接收侧金属背腔(7)；

盖设于接收侧金属背腔上部开口的接收侧绝缘介质板(17)；

制备于接收绝缘介质板表面的接收天线(6)；

其中，所述发射天线(2)和接收天线(6)处在同一水平面上；

其中，所述发射侧金属背腔(1)和接收侧金属背腔(7)通过前后两块金属连接板(4)固定连接，所述前后两块金属连接板(4)分别与发射侧金属背腔(1)和接收侧金属背腔(7)的前后侧壁处于同一平面相连接；所述发射天线(2)和接收天线(6)均为平面蝶形天线，该平面蝶形天线包括两个隔开的天线臂，呈中心对称构造，所述平面蝶形天线中，每一个天线臂由半圆部分和矩形部分连接而成，两天线臂半圆部分的弧顶相对设置，并间隔预设距离，该距离介于0.5～4毫米之间。

2.根据权利要求1所述的超宽带雷达天线，其特征在于，所述发射侧金属背腔(1)和接收侧金属背腔(7)为长方体形状的背腔，两者的深度为所述超宽带雷达天线工作中心频率对应自由空间波长的十分之一。

3.根据权利要求2所述的超宽带雷达天线，其特征在于，所述发射侧金属背腔(1)和接收侧金属背腔(7)包括：

底壁；以及

左侧壁、右侧壁、前侧壁和后侧壁中的至少两个。

4.根据权利要求1所述的超宽带雷达天线，其特征在于，所述发射侧组件和/或接收侧组件还包括：

支撑架(3或5)，支撑于相应绝缘介质板和金属背腔的底壁之间，用于固定和封装超宽带雷达天线的发射机和接收机端口。

5.根据权利要求1所述的超宽带雷达天线，其特征在于，所述发射侧绝缘介质板(16)和接收侧绝缘介质板(17)为环氧树脂板；

所述接收天线(2)和接收天线(6)为印制在环氧树脂玻璃纤维介质板上的铜箔。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超宽带雷达天线，其特征在于，所述发射侧金属背腔(1)和接收侧金属背腔(7)由铝合金材料制备。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的超宽带雷达天线，其特征在于，所述发射侧金属背腔(1)和/或接收侧金属背腔(7)内填充吸波海绵，且该吸波海绵与相应的金属背腔和绝缘介质板均保持接触。