CN107437660B - 一种步进频连续波穿墙雷达的天线装置 - Google Patents

一种步进频连续波穿墙雷达的天线装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种步进频连续波穿墙雷达的天线装置，包括两组以上用于发射雷达信号的发射天线以及多组用于接收雷达回波的接收天线，发射天线、接收天线分别平行布置于雷达辐射面的上、下层，每组发射天线、接收天线分别包括天线辐射单元以及反射背腔，天线辐射单元布置在反射背腔内，反射背腔为由5个表面围成的矩形体腔室结构，且其中一个表面为具有部分截断面积的缺陷面。本发明具有结构简单、所需成本低、能够实现多阵元，同时使得收发天线之间的隔离度高，且隔离度调节灵活、增益高等优点。

Description

一种步进频连续波穿墙雷达的天线装置
技术领域
本发明涉及步进频连续波雷达技术领域，尤其涉及一种步进频连续波穿墙雷达的天线装置。
背景技术
穿墙雷达是实现对非透明介质（金属除外）屏障内目标探测定位的典型系统，能够对墙壁后面的运动和静止目标进行探测、定位、跟踪和成像；步进频连续波雷达具有定向精度高、穿透性好，以及抗干扰能力强和目标分别能力强等优点。步进频连续波穿墙雷达是将步进频连续波雷达应用于穿墙雷达中，通过发射天线来发射高频电磁波，再通过接收天线接收目标反射回波，从而通过LNA、高通滤波器、自动增益放大、混频、中频放大、中频滤波、AD采样、信号处理等，最后输出目标信息。
穿墙雷达天线装置中若天线装置阵元数量较少，则通道数量不能满足能量快速积累等的需求，相应的会降低雷达的实际灵敏度以及方位向分辨率，进而无法满足实际二维定位和多目标探测需求；收发天线之间的隔离度是步进频连续波体制雷达实现远程探测和高精度探测等的关键，因而对于穿墙雷达天线装置，需要满足连续波雷达天线装置多阵元的需求，还需要解决收发天线之间的隔离度问题，同时满足雷达小型化需求，如果收发天线之间的隔离度不能满足系统需求，雷达发射机的能量泄露将直接影响接收机的灵敏度和动态范围，同时缩短雷达作用的距离、降低雷达性能，甚至可能导致接收机饱和，而无法跟踪探测目标。
现有的步进频连续波体制穿墙雷达中的天线装置，在阻抗带宽保持不变时，天线装置的口径尺寸是与阵元数量呈正比分布，即口径尺寸越大，所对应的阵元数量越多，当天线装置的口径尺寸一定时，天线装置的阵元数量和收发天线之间的隔离度则呈反比分布，即阵元数量越多，所对应的收发天线之间的隔离越低，要使得天线装置实现足够小的辐射口径、足够多的阵元数量，同时又使得收发天线之间具有足够大的隔离度非常困难，因而现有的步进频连续波体制穿墙雷达中的天线装置，实际难以同时满足雷达天线装置多阵元以及收发天线之间隔离度的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、所需成本低、能够实现多阵元，同时使得收发天线之间的隔离度高，且隔离度调节灵活、增益高的步进频连续波穿墙雷达的天线装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种步进频连续波穿墙雷达的天线装置，包括两组以上用于发射雷达信号的发射天线以及多组用于接收雷达回波的接收天线，所述发射天线、所述接收天线分别平行布置于雷达辐射面的上、下层，每组所述发射天线、接收天线均包括天线辐射单元以及反射背腔，所述天线辐射单元布置在所述反射背腔内，所述反射背腔为由5个表面围成的矩形体腔室结构，且其中一个表面为具有部分截断面积的缺陷面。
作为本发明的进一步改进：所述反射背腔中，所述发射天线所对应的发射天线反射背腔的顶部表面为具有部分截断面积的第一缺陷面，所述接收天线所对应的接收天线反射背腔的底部表面为具有部分截断面积的第二缺陷面。
作为本发明的进一步改进：所述反射背腔的开口方向与天线辐射方向相同，所述发射天线对应所述发射天线反射背腔的第一缺陷面指向雷达水平面中心线的上部，所述接收天线对应所述接收天线反射背腔的第二缺陷面指向雷达水平面中心线的下部。
作为本发明的进一步改进：各组所述发射天线、所述接收天线中所述天线辐射单元按照相同相对位置布置在所述反射背腔内。
作为本发明的进一步改进：所述发射天线与所述接收天线之间相互贴合布置；所述发射天线中发射天线反射背腔的底部表面与所述接收天线中所述接收天线反射背腔的顶部表面相互贴合设置。
作为本发明的进一步改进：所述天线辐射单元包括贴片辐射单元，所述贴片辐射单元为E型贴片辐射单元，所述E型贴片辐射单元为具有两个对称的矩形缝隙的矩形贴片。
作为本发明的进一步改进：所述天线辐射单元还包括地板层，所述贴片辐射单元通过具有非传导性的第一连接组件固定连接在所述地板层上。
作为本发明的进一步改进：所述地板层上固定连接输入连接器的外导体，所述E型贴片辐射单元的中间翼与输入连接器的内导体连接。
作为本发明的进一步改进：所述天线辐射单元通过具有非传导性的第二连接件固定布置在所述反射背腔内。
作为本发明的进一步改进：所述发射天线、所述接收天线为垂直极化天线。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）本发明步进频连续波穿墙雷达的天线装置，通过设置两组以上的发射天线以及多组接收天线，构成多发射多接收的MIMO结构，同时各组发射天线、接收天线包括天线辐射单元以及反射背腔，天线辐射单元布置在五面矩形体腔室结构的反射背腔内部，一方面能够使得天线的主要辐射能量集中，提高天线增益、减小天线之间互耦因子，另一方面能够隔断收发天线之间的大部分电磁波，并使得向收发天线的反向方向辐射；同时反射背腔中一个表面设置为缺陷面结构，使得收发天线可以将隔离板反射的电磁波直接通过缺陷面辐射出去，减少收发天线之间电磁波反射部分造成的影响，从而能够在满足天线装置阵元需求的同时，极大的提高收发天线之间的隔离度，且实现工作频带宽、增益高以及副瓣电平低，便于实现天线装置小型化；
2）本发明步进频连续波穿墙雷达天线装置，通过在辐射面上部分别设置两组以上发射天线，同时在辐射面下部设置多组接收天线，可以同时获得方位面角度信息和径向距离信息，进而根据方位面角度和径向距离信息可以计算得到实际目标位置信息，从而实现目标二维定位，收发天线基于MIMO结构，多通道数据合成可以提高雷达对目标的识别能力和多目标分辨能力；
3）本发明步进频连续波穿墙雷达天线装置，通过反射背腔布置发射天线、接收天线，调整缺陷面截断部分的大小、结构以及方向等，即可以方便的调整收发天线隔离度和增益，调整天线在反射背腔中的位置，还可以方便的调节天线的方向图、阻抗带宽和天线之间隔离度；
4）本发明步进频连续波穿墙雷达天线装置，进一步天线辐射单元通过第二连接件固定布置在反射背腔，使得天线辐射单元与反射背腔电隔离，可以降低天线装置由于地连接所引起的表面波串扰，使收发天线地隔离，进一步提高收发天线之间的隔离度；
5）本发明步进频连续波穿墙雷达天线装置，进一步发射天线与接收天线之间通过相互贴合布置，可以有效减小天线装置的体积，结合反射背腔的设置，能够实现小尺寸天线装置的同时，增加收发天线之间的隔离度。
附图说明
图1是本实施例步进频连续波穿墙雷达的天线装置的结构示意图。
图2是本实施例步进频连续波穿墙雷达的天线装置中一组发射天线的结构示意图。
图3是本实施例步进频连续波穿墙雷达的天线装置中一组接收天线的结构示意图。
图4是本实施例中发射天线反射背腔各表面展开后的效果示意图。
图5是本实施例中发射天线和发射天线反射背腔的俯视结构示意图。
图6是本发明具体实施例中得到的发射天线的辐射方向图。
图7是本发明具体实施例中得到的接收天线的辐射方向图。
图8是本发明具体实施例中得到的收发天线的隔离曲线结果示意图。
图例说明：1、发射天线；2、接收天线；3、天线辐射单元；31、贴片辐射单元；311、中间翼；32、地板层；4、反射背腔；41、发射天线反射背腔；411、第一缺陷面；42、接收天线反射背腔；421、第二缺陷面；5、第一连接件；6、输入连接器；61、外导体；62、内导体；7、第二连接件。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1～3所示，本实施例步进频连续波穿墙雷达的天线装置具体包括两组以上（具体为两组）用于发射雷达信号的发射天线1以及多组（具体为四组）用于接收雷达回波的接收天线2，发射天线1、接收天线2分别平行布置于雷达辐射面的上、下层，各组发射天线1、接收天线2的结构相同，每组发射天线1、接收天线2均包括天线辐射单元3以及反射背腔4，天线辐射单元3布置在反射背腔4内，反射背腔4为由5个表面围成的矩形体腔室结构，且其中一个表面为具有部分截断面积的缺陷面；通过两组发射天线1和四组接收天线2等效为八个数据通道，实现多组数据通道的叠加处理。当然在其他实施例中，发射天线1还可以根据实际需求设置为三组以上，接收天线2还可以根据实际需求设置为其他多组形式。
本实施例通过设置两组的发射天线1以及多组接收天线2，构成多发射多接收的MIMO结构，同时各组发射天线1、接收天线2包括天线辐射单元3以及反射背腔4，天线辐射单元3布置在五面矩形体腔室结构的反射背腔4内部，由反射背腔4围绕天线，反射背腔4的其中一个表面为具有部分截断面积的缺陷面，能够在满足天线装置阵元需求的同时，极大的提高收发天线之间的隔离度，且实现工作频带宽、增益高以及副瓣电平低。
本实施例通过将发射天线1、接收天线2均设置在反射背腔4内部，由反射背腔4作为收发天线之间的隔离板，一方面能够使得天线的主要辐射能量集中，提高天线增益、减小天线之间互耦因子，另一方面通过反射背腔4使得收发天线之间隔离板高于天线辐射面，收发天线之间的电磁波能够大部分被隔断，并向收发天线的反向方向辐射；同时反射背腔4中一个表面设置为缺陷面结构，使得收发天线可以将隔离板反射的电磁波直接通过缺陷面辐射出去，减少收发天线之间电磁波反射部分造成的影响，从而结合收发天线之间天线反射地隔离、单面缺陷反射结构，能够满足天线装置阵元需求的同时，极大的提高收发天线之间的隔离度，且便于实现天线装置的小型化。
本实施例步进频连续波穿墙雷达天线装置，通过在辐射面上部分别设置两组以上发射天线1，同时在辐射面下部设置多组接收天线2，可以同时获得方位面角度信息和径向距离信息，进而根据方位面角度和径向距离信息可以计算得到实际目标位置信息，从而实现目标二维定位，收发天线基于MIMO结构，多通道数据叠加处理后可以提高雷达对目标的识别能力和多目标分辨能力。
如图1所示，本实施例具体两组发射天线1平行布置，且分别分置在雷达辐射面的上层，多组接收天线2平行分布，且布置在雷达辐射面的下层，发射天线1和接收天线2均关于雷达辐射面垂直面对称。
本实施例中，反射背腔4中，发射天线1所对应的发射天线反射背腔41的顶部表面为具有部分截断面积的第一缺陷面411，接收天线2所对应的接收天线反射背腔42的底部表面为具有部分截断面积的第二缺陷面421。通过将收发天线对应的反射背腔4中相对位置的表面设置为缺陷面结构，能够使得收发天线由反射腔3内中心隔离板反射的电磁波直接通过相对应的缺陷面辐射出去，能够大大提高收发天线之间的隔离度，同时保证整个天线方向图偏移控制在一定范围内。
本实施例中反射背腔4的开口方向与天线辐射方向相同，发射天线1对应发射天线反射背腔41的第一缺陷面411指向雷达水平面中心线的上部，接收天线2对应接收天线反射背腔42的第二缺陷面421指向雷达水平面中心线的下部。如图2、4所示，本实施例发射天线反射背腔41的底部表面、侧面表面为完整的矩形结构，顶部表面为缺陷面且为部分截断的矩形，对应顶部表面面积小于底部表面面积；如图3、4所示，本实施例接收天线反射背腔42的顶部、侧面为完整的矩形结构，底部表面为缺陷面且为部分截断的矩形，对应底部表面面积小于顶部表面面积。
缺陷面中截断面积的大小可根据实际需求设定，通过调整缺陷面截断部分的大小，或进一步通过调整缺陷面的大小、结构以及方向等，能够进一步提高收发天线隔离度和增益。其中当增加缺陷面的大小时，对应可以增加天线之间隔离度，同时降低天线的增益，且会增加3dB波束宽度、以及最大辐射方向偏移也将增多；反之减小缺陷面的大小，则天线的隔离度将减小，同时增益增加，且波束宽度将减小、以及最大辐射方向偏移将减小，实际应用中可综合考虑天线装置对应系统的实际需求设置缺陷面的大小。
本实施例中，各组发射天线1、接收天线2中天线辐射单元3按照相同相对位置布置在反射背腔4内，即天线辐射单元3与反射背腔4的相对位置一致。本实施例天线辐射单元3具体布置在反射背腔4内部水平位置中央处，即中心位置，天线辐射单元3在反射背腔4中的位置还可根据实际需求设置，通过调整天线在反射背腔4中的位置，可以调节天线的方向图、阻抗带宽和天线之间隔离度。
本实施例中，发射天线1与接收天线2之间相互贴合布置，即发射天线1中发射天线反射背腔41的底部表面与接收天线2中接收天线反射背腔42的顶部表面相互贴合设置。发射天线1与接收天线2之间通过相互贴合布置，可以有效减小天线装置的体积，结合上述反射背腔4的设置，能够实现小尺寸天线装置的同时，保证收发天线之间的隔离度。
本实施例中，发射天线1、接收天线2中天线辐射单元3包括贴片辐射单元31，贴片辐射单元31具体为E型贴片辐射单元，E型贴片辐射单元为具有两个对称的矩形缝隙的矩形贴片，通过调节连接器与中间翼311的相对位置即可调节E型贴片辐射单元。
本实施例中，发射天线1、接收天线2均为垂直极化天线，即发射天线和接收天线的极化方向一致，通过设置收发天线均为垂直极化天线，且收发天线采用MIMO结构，多通道数据合成可以提高雷达对目标的识别能力和多目标分辨能力。
本实施例中，天线辐射单元3还包括地板层32，贴片辐射单元31通过第一连接件5固定连接在地板层32上，第一连接件5具体可采用尼龙螺柱或其他连接结构。通过调节地板层32和贴片辐射单元31之间的间距，即可以方便的调节天线的谐振频率和阻抗带宽，其中当在一定范围内增加辐射单元与反射地之间的距离，对应天线之间的谐振频率向低频偏移、阻抗带宽减小，反之谐振频率向高频偏移、阻抗带宽增加。
如图1、5所示，本实施例贴片辐射单元31位于介质板112上，天线辐射单元3具体由1个E型贴片辐射单元、地板层312和空气腔组成，E型贴片辐射单元通过具有非传导性的第一连接件5固定在地板层32上，地板层32上固定连接输入连接器6的外导体61，E型贴片辐射单元的中间翼311与输入连接器6的内导体62连接，内导体62具体穿透地板层32和空气腔与E型贴片辐射单元的中间翼311连接，通过改变中间翼311馈电点位置，可以调节天线阻抗匹配特性。
本实施例中，天线辐射单元3通过具有非传导性的第二连接件7固定布置在反射背腔4，使得天线辐射单元3与反射背腔4电隔离，可以降低天线装置由于地连接所引起的表面波串扰，使收发天线地隔离，进一步提高收发天线之间的隔离度。第二连接件7具体可采用尼龙螺柱、尼龙同轴柱或其他非传导性的连接件结构。
如图6所示为采用本实施例上述步进频连续波穿墙雷达天线装置得到的发射天线1的辐射方向图，其中实线表示水平面辐射方向图，虚线表示垂直面的辐射方向图。从图5中可知，采用上述步进频连续波穿墙雷达天线装置，发射天线1在水平面的辐射方向图3dB波束宽度可达76.4deg，副瓣电平小于-13.2dB，垂直面的辐射方向图3dB波束宽度可达53.1deg，副瓣电平小于-17.1dB。
如图7所示为采用本实施例上述步进频连续波穿墙雷达天线装置得到的接收天线2的辐射方向图，其中实线表示水平面辐射方向图，虚线表示垂直面的辐射方向图。从图6可知，采用上述步进频连续波穿墙雷达天线装置，在水平面的辐射方向图3dB波束宽度可76.2deg，副瓣电平小于-16.4dB，垂直面的辐射方向图3dB波束宽度可达55deg，副瓣电平小于-18dB。如图5、6所示，采用本实施例上述步进频连续波穿墙雷达天线装置，可以使得天线的工作频带宽、增益高，同时副瓣电平低。
如图8所示为采用本实施例上述步进频连续波穿墙雷达天线装置得到的距离最近的收发天线之间的隔离度曲线，其中横轴表示频率范围，纵轴表示隔离度。由图7可知，采用上述步进频连续波穿墙雷达天线装置，收发天线之间的隔离度范围可达38-55dB，使得整个频带范围内隔离度大于38dB，有效减小了天线之间由于直耦引起的接收机饱和，增大了穿墙雷达接收机的动态范围，从而提高雷达的探测能力。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种步进频连续波穿墙雷达的天线装置，其特征在于：包括两组以上用于发射雷达信号的发射天线(1)以及多组用于接收雷达回波的接收天线(2)，所述发射天线(1)、所述接收天线(2)分别平行布置于雷达辐射面的上、下层，每组所述发射天线(1)、接收天线(2)均包括天线辐射单元(3)以及反射背腔(4)，所述天线辐射单元(3)布置在所述反射背腔(4)内，所述反射背腔(4)为由5个表面围成的矩形体腔室结构，且其中一个表面为具有部分截断面积的缺陷面；
所述反射背腔(4)中，所述发射天线(1)所对应的发射天线反射背腔(41)的顶部表面为具有部分截断面积的第一缺陷面(411)，所述接收天线(2)所对应的接收天线反射背腔(42)的底部表面为具有部分截断面积的第二缺陷面(421)。
2.根据权利要求1所述的步进频连续波穿墙雷达的天线装置，其特征在于：所述反射背腔(4)的开口方向与天线辐射方向相同，所述发射天线(1)对应所述发射天线反射背腔(41)的第一缺陷面(411)指向雷达水平面中心线的上部，所述接收天线(2)对应所述接收天线反射背腔(42)的第二缺陷面(421)指向雷达水平面中心线的下部。
3.根据权利要求2所述的步进频连续波穿墙雷达的天线装置，其特征在于：各组所述发射天线(1)、所述接收天线(2)中所述天线辐射单元(3)按照相同相对位置布置在所述反射背腔(4)内。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的步进频连续波穿墙雷达的天线装置，其特征在于：所述发射天线(1)与所述接收天线(2)之间相互贴合布置；所述发射天线(1)中发射天线反射背腔(41)的底部表面与所述接收天线(2)中所述接收天线反射背腔(42)的顶部表面相互贴合设置。
5.根据权利要求1～2中任意一项所述的步进频连续波穿墙雷达的天线装置，其特征在于：所述天线辐射单元(3)包括贴片辐射单元(31)，所述贴片辐射单元(31)为E型贴片辐射单元，所述E型贴片辐射单元为具有两个对称的矩形缝隙的矩形贴片。
6.根据权利要求5所述的步进频连续波穿墙雷达的天线装置，其特征在于：所述天线辐射单元(3)还包括地板层(32)，所述贴片辐射单元(31)通过具有非传导性的第一连接件(5)固定连接在所述地板层(32)上。
7.根据权利要求6所述的步进频连续波穿墙雷达的天线装置，其特征在于：所述地板层(32)上固定连接输入连接器(6)的外导体(61)，所述E型贴片辐射单元的中间翼(311)与输入连接器(6)的内导体(62)连接。
8.根据权利要求1～3中任意一项所述的步进频连续波穿墙雷达的天线装置，其特征在于：所述天线辐射单元(3)通过具有非传导性的第二连接件(7)固定布置在所述反射背腔(4)内。
9.根据权利要求1～3中任意一项所述的步进频连续波穿墙雷达的天线装置，其特征在于：所述发射天线(1)、所述接收天线(2)为垂直极化天线。
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