CN108717996A - 一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波技术领域，涉及一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线，所述宽带圆极化天线由上至下依次包括天线罩1、上贴片层2、PMI泡沫层3、下贴片层4、第一介质层5、耦合缝隙层6、第二介质层7、馈电微带8和金属背腔9；所述耦合缝隙层6具有一个镂空的缝隙61；所述馈电微带8的形状为矩形和扇形组合形状；所述金属背腔9为具有一端开口面的长方体形状的腔体，且开口面朝向所述馈电微带。本发明综合采取缝隙耦合馈电、低介电常数层、叠层微带耦合贴片、反射背腔等技术，使天线在低剖面要求下达到30％以上阻抗和波束带宽。本发明通过调谐上、下贴片横向尺寸，达到双贴片耦合谐振的目的，并采取了矩形贴片切角设计实现圆极化。

Description

一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线，具体指可实现宽带、低剖面、低背瓣、圆极化的多层微带天线。
背景技术
随着科学技术的进步和电子工业的飞速发展，无线探测技术也得到了快速的发展，同时在安防、侦测等领域也得到了越来越多的应用。
对于高分辨穿墙雷达成像系统，需要天线单元具有较宽频带，能够辐射短时瞬态脉冲以获得较好的距离分辨率和图像质量。同时，为了提高的角度分辨率，需要较大的天线孔径，并尽量降低天线间的互耦。而对于手持式系统而言，需要尽量小的天线孔径和较小的收发天线间距。可见，手持式系统要求与高分辨成像要求是存在矛盾的。需要通过天线设计尽量兼顾这两种要求。
目前常用于穿墙雷达成像系统的天线主要有：1)加脊喇叭、维瓦尔第槽线天线等超宽带天线，这类天线的体积较大，不适合手持式应用；2)蝶形振子及其变体天线，这类天线目前应用最为广泛，其设计难点在于如何减少横向尺寸、降低天线高度；3)宽带印刷天线，如叠加耦合微带贴片天线、U形开槽贴片天线、E形贴片等，这类天线的横向尺寸较小，但是针对手持式应用，天线的高度、带宽和互耦需要采取综合设计措施；4)印刷螺旋天线，这是一类圆极化天线，能够达到较宽的阻抗带宽，若要达到较好的增益，天线高度要设计在四分之一波长左右，难以满足手持式要求。
由于应用在安防和侦测等领域，要求手持式穿墙雷达设备具有体积小、便携性强等特点，需要天线满足重量轻、制作简单、成本低等要求外，还要具备体积小、剖面低、带宽宽、收发隔离度高、旁瓣低等特性要求。现有的天线难以兼顾以上要求，往往体积较大或者单元性能较差，难以实用。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于多层微带结构的宽带圆极化微带天线，利用微带天线的半谐振宽度、低剖面等特点达到体积小的目的，利用分层结构实现宽带，利用圆极化实现了高的收发隔离度。具体技术方案如下：
一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线，该天线具体结构由上至下依次包括天线罩1、上贴片层2、PMI泡沫层3、下贴片层4、第一介质层5、耦合缝隙层6、第二介质层7、馈电微带8和金属背腔9；
所述耦合缝隙层6具有一个镂空的缝隙61；
所述馈电微带8的形状为矩形和扇形组合形状；
所述金属背腔9为具有一端开口面的长方体形状的腔体，且开口面朝向所述馈电微带。
优选地，所述第一介质层5开设一个方形缺口10。
优选地，所述下贴片层4为具有两个相对应切角11的六边形结构。
优选地，所述缝隙61的形状为“工”字形状。
优选地，所述金属背腔9上开设一个长方形缺口，便于与射频接头相连接。
优选地，所述上贴片层2、下贴片层4、耦合缝隙层6和馈电微带8均通过电路板蚀刻而成。
采用本发明获得的有益效果：本发明综合采取缝隙耦合馈电、低介电常数层、叠层微带耦合贴片、反射背腔等技术，使天线在低剖面要求下达到30％以上阻抗和波束带宽。本发明采取了矩形贴片切角设计，并通过调谐上、下贴片横向尺寸，达到双贴片耦合谐振的目的。本发明天线具有工作频带宽、横截面尺寸小、低剖面、圆极化等特点，便于集成且馈电简单，能够较好满足系统对探测距离、精度及体积的综合要求。
附图说明
图1为本发明天线的立体结构示意图；
图2为本发明中耦合缝隙层的正面图；
图3为本发明中馈电微带的正面图；
图4为实施例中下贴片层和第一介质层印刷图；
图5为实施例中上贴片层和天线罩的结构示意图；
图6为天线驻波系数仿真结果图；
图7为收发天线隔离度仿真结果图；
图8为天线增益方向图仿真结果图；
图9为圆极化方向图轴比的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明天线的立体结构示意图；该天线具体结构由上至下依次包括天线罩1、上贴片层2、PMI泡沫层3、下贴片层4、第一介质层5、耦合缝隙层6、第二介质层7、馈电微带8和金属背腔9；PMI全称是聚甲基丙烯酰亚胺。
实施例中，所述馈电微带8、耦合缝隙层6相对印刷在所述第二介质层7的两侧，构成宽带缝隙耦合馈电结构，同时耦合缝隙层作为下贴片层、上贴片层的辐射地；所述下贴片层4印刷在所述第一介质层5的顶面，而上贴片层2印刷在所述天线罩1底面，下贴片层4和上贴片层2中间是PMI泡沫层3，用于降低多层结构的等效介电常数，同时为上贴片层、下贴片层提供耦合，达到增加带宽的目的；
所述下贴片层4是在矩形贴片上，对两个对角做切角处理后，形成具有两个相对应切角11的六边形结构，切角位置和尺寸大小根据频段及圆极化性能决定。所述上贴片层2的形状为矩形，尺寸大小小于第一介质层的大小，可根据天线设计频段决定。
第一介质层的厚度大于第二介质层的厚度；
所述金属背腔9为具有一端开口面的长方体形状的腔体，且开口面朝向所述馈电微带。所金属背腔的四个角上开设有四个螺孔，同时，第一介质板、第二介质板和天线罩的边缘也分别设有四个螺孔，通过螺母与所述金属背腔的开口面进行固定。
实施例中，所述天线罩材料与所述第一介质层、第二介质层的材料相同；
所述上贴片层2、下贴片层4、耦合缝隙层6和馈电微带8均通过电路板蚀刻而成，实际中，可以通过市售的双面印刷电路板蚀刻而成，与相邻的介质层制作在一起；如：如上贴片层2与天线罩1通过双面印刷电路板整体蚀刻而成；下贴片层4与第一介质层5通过双面印刷电路板整体蚀刻而成；耦合缝隙层6、第二介质层7、馈电微带8三者通过双面印刷电路板整体蚀刻而成。天线罩1厚度为0.5mm，介质的相对介电常数为2.55；第一介质层5厚度为2mm，介质的相对介电常数为2.55；第二介质层的厚度为1.5mm，介质的相对介电常数为2.55mm；PMI泡沫层的厚度是11mm。
天线的射频接头与馈电微带8、耦合缝隙层6相连进行馈电，其中射频接头的探针与馈电微带8焊接，射频接头的外导体与耦合缝隙层6焊接。
实施例中，天线的馈电结构由馈电微带8、第二介质层7、耦合缝隙层6构成，通过调整缝隙的长度、形状和位置，以及馈电微带开路段与缝隙间距离，调节输入阻抗，达到输入匹配。
所述第一介质层5开设一个方形缺口10，目的是方便射频接头的安装，如采用四脚穿墙接头进行馈电。下贴片层4与第一介质层5通过双面印刷电路板整体蚀刻而成，其中下贴片是在矩形贴片的基础上进行切角，目的是形成圆极化，不同的切角位置，对应了左旋和右旋圆极化状态，将发射天线和接收天线的极化状态设置为相反，能够提高收发隔离度。
天线罩1在天线最外部，与上贴片层2一起，由双面印刷电路板蚀刻而成；
本发明同样可以用于普通的穿墙雷达系统中，并且，维持原来的完整矩形贴片形状，可将本发明扩展为单极化或者双极化宽带多层微带天线，同样可以用于穿墙雷达探测中。
所述金属背腔9上开设一个长方形缺口，目的是留足空间位置便于安装射频接头，如：射频接头采用四脚穿墙接头进行馈电。
本发明经过了仿真模拟测试，其中天线驻波、收发隔离、增益和方向图都通过了仿真验证，图6为天线驻波系数仿真结果图，其中横坐标表示频率，单位是GHz；纵坐标是天线驻波系数，英文表示为VSWR。通常在穿墙雷达应用中，在设计频带内要求VSWR≤2.5。从仿真结果图中可以看出，在1.81GHz-2.6GHz范围内驻波小于2.2，满足设计要求；
图7为收发天线隔离度仿真结果图，其中横坐标表示频率，单位是GHz；纵坐标是隔离度，英文为Isolation，单位是dB。仿真模型选取收发天线中心间距为150mm。仿真结果表明，在频带1.9GHz-2.5GHz范围内，收发隔离度在32dB以上，隔离度较高。
图8为天线增益方向图仿真结果，其中横坐标表示偏离天线法线方向的角度，单位是“度”；纵坐标是增益，英文为Gain，单位是dB；Phi表示天线相对法线方向的周向角，单位是“度”，“Phi＝0degree、Phi＝90degree”分别表示周向角为0°和90°的两个正交平面(图9与此相同)。图8给出了两个正交平面内的增益方向图仿真曲线。从仿真结果可见，天线在法线方向的增益为8dBi，理论上增益越高，探测距离越远，本设计满足一般穿墙雷达要求。
图9为圆极化方向图轴比的仿真结果图，其中横坐标表示偏离天线法线方向的角度，单位是“度”；纵坐标是轴比，英文为Axial Ratio，单位是dB。从仿真结果可见，在-30°～+30°范围内，天线的轴比都小于3dB，并且该天线性能还能够进一步优化，说明该设计的圆极化性能较好。
以上仿真计算结果验证了本发明天线可行。上述实施方式仅为本发明的一个典型的实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明主要综合功能的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线，其特征在于，所述宽带圆极化天线由上至下依次包括天线罩(1)、上贴片层(2)、PMI泡沫层(3)、下贴片层(4)、第一介质层(5)、耦合缝隙层(6)、第二介质层(7)、馈电微带(8)和金属背腔(9)；
所述耦合缝隙层(6)具有一个镂空的缝隙(61)；
所述馈电微带(8)的形状为矩形和扇形组合形状；
所述金属背腔(9)为具有一端开口面的长方体形状的腔体，且开口面朝向所述馈电微带。
2.如权利要求1所述的一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线，其特征在于：所述第一介质层(5)开设一个方形缺口(10)。
3.如权利要求1所述的一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线，其特征在于：所述下贴片层(4)为具有两个相对应切角(11)的六边形结构。
4.如权利要求1所述的一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线，其特征在于：所述缝隙(61)的形状为“工”字形状。
5.如权利要求1所述的一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线，其特征在于：所述金属背腔(9)上开设一个长方形缺口，便于与射频接头相连接。
6.如权利要求1所述的一种用于手持式穿墙雷达的宽带圆极化天线，其特征在于：所述上贴片层(2)、下贴片层(4)、耦合缝隙层(6)和馈电微带(8)均通过电路板蚀刻而成。
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