CN107317091B - 一种用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，包括天线、吸收腔和馈电结构，其中天线设置在吸收腔上，馈电结构用于天线的电连接；所述天线由设置有双臂阿基米德螺旋天线片3的天线基板构成，天线基板为内基板1与外基板2组合的回字形结构，且内基板1的相对介电常数小于外基板2；所述吸收腔包括相对介电常数接近于空气的填充物4、吸收层5和金属背腔6，吸收层5设置于金属背腔6内，用于吸收所述天线的后向辐射，填充物4用于填充所述吸收腔。本发明通过对阿基米德螺旋天线不同辐射区域采用不同相对介电常数的介质基片，使得本发明具有小型化、宽频带、高定向性、波形良好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及机载探地雷达的设计领域，特别涉及一种用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置。
背景技术
探地雷达是用频率介于100MHz～4000MHz的高频带电磁波来确定地下介质分布的一种高效地球物理方法。其主要应用领域在环境评价、工程地质、岩土工程、考古、水文地质和高放射性废料储存场所选址等方面的研究上。机载探地雷达作为探地雷达的一个重要分支，它具有高分辨率，无损性，高效性，抗干扰能力强，探测目标广泛，特别是在环境恶劣、交通不便地面人员无法到达的地区拥有其他探查方法无法比拟的优势。
天线是雷达系统最重要的部件之一，作为探地雷达的一个特殊分支，机载探地雷达系统在采用步进频域工作方式时不仅需要天线拥有低重量、小尺寸，低风阻还需要满足其他的一些特定要求，如良好的辐射波形、定向性及阻抗匹配等，尤其在要求天线小尺寸的情况下，产生一个定向波束是很难实现的，因此机载探地雷达定向天线的设计是整个雷达系统设计的难点所在。
阿基米德螺旋天线是平面宽带天线的一种，具有结构简单、宽频带、辐射性能好等特点，是探地雷达系统中常见的天线。但由于机载探地雷达的工作频率为100MHz～1500MHz，这样常规的阿基米德天线尺寸会比较大，因此研制一种小型化、宽频带、高定向性、适合于机载探地雷达的天线是机载探地雷达系统开发中亟需解决问题。现今在实现阿基米德螺旋天线小型化上主要采用两种方法：第一就是改进天线的结构使天线实现小型化，第二就是采用高介电常数介质使天线实现小型化，但是相对介电常数过高会激发高次模式，影响天线性能。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述问题，提供一种用于机载探地雷达的小型化、宽频带、高定向性、波形良好的阿基米德螺旋天线装置。
本发明基于阿基米德螺旋天线的辐射特性(不同区域辐射不同频率的电磁波，由内而外频率从高到低)得出：天线基板的相对介电常数与天线工作频率成反比，即天线基板相对介电常数越高，同一尺寸下的天线工作频率会向低偏移，但是板材的相对介电常数过高会激发高次模式，故对阿基米德螺旋天线不同辐射区域采用不同相对介电常数的介质基片，天线背部使用吸收腔体来实现天线的单向辐射，从而设计出小型化、宽频带、高定向性、波形良好的阿基米德螺旋天线装置。
本发明的一种用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，包括天线、吸收腔和馈电结构，其中天线设置在吸收腔上，馈电结构用于天线的电连接；
所述天线包括双臂阿基米德螺旋天线片和天线基板，双臂阿基米德螺旋天线片设置在天线基板上，天线基板为内基板与外基板组合的回字形结构，且内基板的相对介电常数小于外基板的相对介电常数，优选的，内基板的相对介电常数为2～3，外基板的相对介电常数为8-13；
所述吸收腔包括相对介电常数接近于空气的填充物(例如泡沫)、吸收层和金属背腔，吸收层设置于金属背腔内，用于吸收所述天线的的后向辐射，使本发明的天线实现单向辐射，填充物用于填充所述吸收腔，对天线、吸收层5起支撑作用，以达到不影响天线性能同时又满足天线轻质量的要求。
本发明对不同辐射区采用不同的介质基板(天线基板的内外基板)，在工作的相对高频区采用低相对介电常数的介质基板(对应本发明的内基板)，工作的相对低频区采用高介电常数的介质基板(对应本发明的外基板)，这样既能避免在工作的相对高频区产生高次模式得到一个满意的辐射波形，也能实现天线的小型化；并通过吸收层将天线后向辐射能量吸收掉使天线实现单向辐射；同时本发明的吸收腔优于传统的金属反射腔不影响前向的能量辐射能得到满意辐射方向图，天线纵向尺寸能远远小于一般传统反射腔，常规的金属反射腔(厚度)纵向尺寸一般为工作频率的1/4波长，例如对于工作频率为100MHz，波长为3米的金属反射腔，其纵向尺寸为750毫米，本发明在满足该工作频率及波长的前提下，其吸收腔的纵向尺寸能达到20到50毫米之间。
进一步的，所述馈电结构包括馈电巴伦和同轴接头，馈电巴伦的平衡端与双臂阿基米德螺旋天线片的天线臂相连，馈电巴伦的非平衡端穿过吸收层与设置于金属背腔底端的同轴接头相连。
优选的，天线基板为正方形，边长为450～550mm；内基板(1)也为正方形，边长为200～300mm。
优选的，所述双臂阿基米德螺旋天线片(3)的内径为：3mm、外边长为：480mm、臂宽：4mm。
综上所述，由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：
1)本发明对不同辐射区采用不同的介质基板(天线基板的内外基板)，在工作的相对高频区采用低相对介电常数的介质基板(对应本发明的内基板)，工作的相对低频区采用高介电常数的介质基板(对应本发明的外基板)，这样既能避免在工作的相对高频区产生高次模式得到一个满意的辐射波形，也能实现天线的小型化，天线的尺寸可以设置在500mm×500mm左右。
2)本发明通过吸收层实现天线单向辐射，同时能不影响前向辐射得到满意辐射方向图，天线纵向尺寸远远小于一般传统反射腔。
4)本发明在天线吸收腔内使用泡沫填充即支撑了天线又不影响天线的性能同时又满足天线质量轻的要求。
5)具有本发明结构的天线的工作频带宽，在100MHz～1600MHz的频带范围内回波损耗小于-10dB，拥有超宽的带宽。
附图说明
图1是本发明天线在具体实施方式中天线装置侧视剖面图；
图2是本发明天线在具体实施方式中的天线基板俯视图；
图3是本发明天线在具体实施方式中的天线装置俯视图；
图4是本发明天线在具体实施方式中仿真运行的回波损耗(S11)曲线坐标图；
附图标记：1——Arlon AD 250介质或相似电参数介质材料基板I，2——Arlon AR1000介质或相似电参数介质材料基板II，3——双臂阿基米德螺旋天线片，4——泡沫，5——吸收层，6——金属背腔，7——馈电巴伦，8——同轴接头。
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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
实施例
参见图1，本发明用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，包括Arlon AD 250介质基板I 1(即相对介电常数为2.5的内基板)、Arlon AR 1000介质材料基板II 2(即相对介电常数为10的外基板)、双臂阿基米德螺旋天线片3、泡沫4、吸波材料构成的吸收层5、金属背腔6、馈电巴伦7、同轴接头8。
其中，基板I 1的尺寸设置为300mm×300mm；基板II 2为中空的回字形，其外边长为500mm、内边长为300mm，将基板I 1与基板II 2进行组合，得到一块介质基板，即回字形结构的天线基板，如图2所示，其中天线基板的尺寸为500mm×500mm。
然后将双臂阿基米德螺旋天线片3印制在天线基板上，如图3所示，其中双臂阿基米德螺旋天线片3的内径为：3mm、外边长为：480mm、臂宽：4mm。
上述基板I 1、基板II 2和双臂阿基米德螺旋天线片3构成本发明的天线。由泡沫4、吸收层5和金属背腔6构成本发明的吸收内腔，所述天线位于吸收内腔上。其中吸收层5设置于金属背腔6内，用于吸收天线的后向辐射，从而实现天线的单向辐射，同时能得到满意辐射方向图，吸收腔由泡沫4填充，用于支撑天线、吸收层5，以达到不影响天线性能同时又满足天线轻质量的要求。
最后，通过非平衡--平衡转换的馈电巴伦7将双臂阿基米德螺旋天线片3的天线臂与同轴接头8连接起来实现同轴接头与天线片的电连接，即馈电巴伦7的平衡端与双臂阿基米德螺旋天线片3的天线臂相连，非平衡端穿过吸收层5与设置于金属背腔底端的同轴接头8相连。
本实施例中的用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置的仿真结果如图4所示，通过馈电巴伦7的匹配回波损耗(S11)全频段小于-10dB，匹配良好。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (7)
1.一种用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，其特征在于，包括天线、吸收腔和馈电结构，其中天线设置在吸收腔上，馈电结构用于天线的电连接；
所述天线包括双臂阿基米德螺旋天线片(3)和天线基板，双臂阿基米德螺旋天线片(3)设置在天线基板上，天线基板为内基板(1)与外基板(2)组合的回字形结构；
其中内基板(1)工作在相对高频区，外基板(2)工作在相对低频区，且内基板(1)的相对介电常数小于外基板(2)的相对介电常数，避免在工作的相对高频区产生高次模式；
所述吸收腔包括相对介电常数接近于空气的填充物(4)、吸收层(5)和金属背腔(6)，吸收层(5)设置于金属背腔(6)内，用于吸收所述天线的后向辐射，填充物(4)用于填充吸收腔。
2.根据权利要求1所述的用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，其特征在于，所述馈电结构包括馈电巴伦(7)和同轴接头(8)，馈电巴伦(7)的平衡端与双臂阿基米德螺旋天线片(3)的天线臂相连，馈电巴伦(7)的非平衡端穿过吸收层(5)与设置于金属背腔(6)底端的同轴接头(8)相连。
3.根据权利要求1或2所述的用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，其特征在于，内基板(1)的相对介电常数为2～3，外基板(2)的相对介电常数为8-13。
4.根据权利要求1或2所述的用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，其特征在于，所述填充物(4)为泡沫。
5.根据权利要求1所述的用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，其特征在于，所述天线基板为边长为450～550mm的正方形，所述内基板(1)为边长为200～300mm的正方形。
6.根据权利要求1所述的用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，其特征在于，所述双臂阿基米德螺旋天线片(3)的内径为：3mm、外边长为：480mm、臂宽：4mm。
7.根据权利要求1所述的用于机载探地雷达的阿基米德螺旋天线装置，其特征在于，所述吸收层(5)由吸波材料构成。
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