CN108923120A - 一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块 - Google Patents

一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，所述的收发开关天线阵模块包括发射天线阵列、接收天线阵列、隔离条、发射开关阵列和接收开关阵列；所述的发射天线阵列、接收天线阵列和隔离条在结构上为一个整体模块，其包含24路发射天线单元和24路接收天线单元；所述的发射开关阵列和接收开关阵列结构外形一致，分别具有24路发射通道和24路接收通道；所述的发射天线阵列、接收天线阵列、发射开关阵列和接收开关阵列通过固定装配成为一个射频收发前端基本功能模块，发射开关阵列内部单刀三掷开关SP3T的前级设置功率放大器PA，饱和输出功率20dBm；接收开关阵列内部单刀八掷开关SP8T与单刀三掷开关SP3T的级间设置低噪声放大器LNA。

Description

一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块
技术领域
本发明属于阵列天线技术领域，尤其涉及一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块。
背景技术
近年来，国际国内安全形势日益严峻，针对公共场所的恐怖袭击时有发生。为了保障特殊场所的公共安全，通过先进设备对人员进行安全检查是一种极其有效的途径。金属探测门能够快速的检测出人体携带的金属物品，但对于陶瓷刀具、塑制手枪、液体爆炸物等非金属物品却无能为力，存在极大的安全隐患；X光安检仪存在电离辐射，不适合对人体进行安检；搜身式检查效率低，需要多名训练有素的手检员，而且侵犯了个人隐私；毫米波成像系统采用非接触方式进行检查，绿色安全无辐射伤害，具备对人体随身藏匿的枪支、刀具、毒品和爆炸物等违禁品的识别能力，是人体安检技术的主流发展方向。
一般地，毫米波成像系统主要有主动式和被动式两种。被动式毫米波成像系统通过接收人体和背景场景自身辐射的能量，并利用物体间的辐射强度差异实现成像，成像方式与红外成像仪类似。然而，在某些环境下人体和背景的温度相当，同时受限于探测器灵敏度，被动式毫米波图像的对比度较低、图像质量差，难以满足安检需求。主动式毫米波成像系统基于合成孔径雷达原理，对人体发射毫米波、接收反射回来的毫米波，通过全息三维成像技术反演出人体表面图像。与被动成像方式相比，主动成像方式得到的信息量更丰富，不仅能够实现二维成像还能够实现三维成像。
目前，普遍设计的主动式毫米波成像系统一般采用收发分置连续波体制，发射通道、接收通道数目近400个，阵列规模庞大。作为该系统的重要组成部分，毫米波收发前端必然是该领域的研究热点。为了有效地降低成本，毫米波收发前端采用多通道开关切换的方式进行信号的发射、接收。因此，必须贯彻通用化、系列化、标准化的设计思想，以划分小规模子阵的方式进行多通道模块化集成，提高系统可拓展性及模块的互换性。此外，考虑到收发分置连续波体制，应该在发射天线与接收天线间距一定的条件下，提供收发天线隔离度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供了一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块。
本发明采用的技术方案为：
一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，所述的收发开关天线阵模块包括发射天线阵列(1)、接收天线阵列(2)、隔离条(3)、发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)；所述的发射天线阵列(1)、接收天线阵列(2)和隔离条(3)在结构上为一个整体模块，其包含24路发射天线单元和24路接收天线单元；所述的发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)结构外形一致，分别具有24路发射通道和24路接收通道；所述的发射天线阵列(1)、接收天线阵列(2)、发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)通过固定装配成为一个射频收发前端基本功能模块，发射开关阵列(4)内部单刀三掷开关SP3T的前级设置功率放大器PA(15)，饱和输出功率20dBm；接收开关阵列(5)内部单刀八掷开关SP8T与单刀三掷开关SP3T的级间设置低噪声放大器LNA(16)，噪声系数小于2.5dB且增益大于25dB。
该收发开关天线阵模块工作于Ka波段，工作频率范围32-37GHz。
发射天线阵列(1)的单元间距为10mm，发射天线单元馈电端(11)为矩形波导口；接收天线阵列(2)的单元间距为10mm，接收天线单元馈电端(10)为矩形波导口。
发射天线阵列(1)和接收天线阵列(2)的线阵间距为15mm，且相邻的发射天线单元和接收天线单元交错布置。
发射天线阵列(1)和接收天线阵列(2)的单元为矩形波导喇叭复合双扼流槽形式，喇叭口尺寸6mm×3.5mm；外圈扼流槽(13)宽度1.1mm、深度2.6mm，为相邻单元所共用，而内圈扼流槽(14)宽度1.1mm、深度2.6mm。
发射开关阵列输入口(6)为K型毫米波同轴连接器，其控制与供电接口(7)为J-30J微矩形多芯连接器，24路输出口均为矩形波导口；接收开关阵列输出口(8)为K型毫米波同轴连接器，其控制与供电接口(9)为J-30J微矩形多芯连接器，24路输入口均为矩形波导口。
本发明提供一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，工作频率为Ka波段32-37GHz，采用收发分置连续波体制。工作在发射状态下时，毫米波激励信号进入发射开关阵列，进行信号的放大、通道选择等，输出至选定的发射天线单元进行能量辐射；工作在接收状态下时，接收天线单元进行回波信号的接收，进入接收开关阵列进行通道选择、低噪声放大等，输出至后端。
本发明采用以上技术方案，具有如下技术效果：
1.该收发开关天线阵模块结构紧凑合理、连接关系简单清晰，通过采用模块化与通用化的设计理念有效地提高了集成度，且具有性能稳定可靠、一致性好、易于规模化生产等优势。以此收发开关天线阵模块进行多通道模块化集成，可提高系统可拓展性及模块的互换性，模块独立性能测试与模块封装技术继承性好。
2.所采用的天线形式可实现32-37GHz频段内良好的阻抗匹配与辐射特性；辐射效率高，单元辐射效率可达到88％以上；方向图恒定，阵中单元与边缘单元的方向图一致性好、稳定不变形；隔离度高，在小间距条件下可实现收发单元隔离度45dB以上。
3.该收发开关天线阵模块整体厚度仅为15mm，外形美观大方。发射开关阵列和接收开关阵列结构外形一致，可以减少结构件的种类进而降低加工成本。
附图说明
图1为本发明的毫米波收发开关天线阵模块三维结构图
图2为本发明的毫米波收发开关天线阵模块俯视图
图3为本发明的毫米波收发天线阵列结构正面图
图4为本发明的毫米波收发天线阵列局部结构图
图5为本发明的毫米波收发天线阵列结构背面图
图6为本发明的毫米波发射开关阵列(接收开关阵列)三维结构图
图7为本发明的毫米波发射开关阵列工作原理图
图8为本发明的毫米波接收开关阵列工作原理图
附图和书面说明中，标号指示本发明各个部件，在所有附图和整个书面说明中，相同的标号表示相同的部件。具体来说，图中标号：1－发射天线阵列，2－接收天线阵列，3－隔离条，4－发射开关阵列，5－接收开关阵列，6－发射开关阵列输入口，7－发射开关阵列控制与供电接口，8－接收开关阵列输出口，9－发射开关阵列控制与供电接口，10－接收天线单元波导口，11－发射天线单元波导口，12－开关阵列波导口，13－外圈扼流槽，14－内圈扼流槽，15－功率放大器PA，16－低噪声放大器LNA。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1，本实施例是一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，工作频率为Ka波段32-37GHz、工作带宽5GHz，采用收发分置连续波体制。如图1所示，该收发开关天线阵模块主要由发射天线阵列(1)、接收天线阵列(2)、隔离条(3)、发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)组成。发射天线阵列(1)、接收天线阵列(2)和隔离条(3)结构一体，通过整体机械加工得到。发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)在平面上对称放置，发射开关阵列输入口(6)、接收开关阵列输出口(8)均为K型毫米波同轴连接器，而发射开关阵列控制与供电接口(7)、发射开关阵列控制与供电接口(9)均为J-30J微矩形多芯连接器。在结构层面上，收发天线阵列置于发射天线阵列(1)和接收天线阵列(2)之上，且结构位置居中。
如图2所示，发射天线阵列(1)和接收天线阵列(2)相互平行且线阵间距为15mm，相邻的发射天线单元和接收天线单元交错布置，而单元间距均为10mm。这样的阵列排布满足了采样定律要求，通过时序控制发射和接收通道的开关，可得到阵列的等效相位中心各单元间距为0.5倍的工作波长。发射天线阵列(1)、接收天线阵列(2)、发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)通过固定装配成为一个射频收发前端基本功能模块。
如图3所示，收发天线阵列结构紧凑，发射天线阵列(1)和接收天线阵列(2)的阵列规模相同，均为24元线阵。隔离条(3)位于发射天线阵列(1)和接收天线阵列(2)中间，调整隔离条(3)的高度、宽度可以有效地起到提高收发隔离度的作用。
如图4所示，发射天线阵列(1)和接收天线阵列(2)的单元为矩形波导喇叭复合双扼流槽形式，喇叭口尺寸6mm×3.5mm；外圈扼流槽(13)宽度1.1mm、深度2.6mm，为相邻单元所共用，而内圈扼流槽(14)宽度1.1mm、深度2.6mm。波导喇叭可保证5GHz的工作带宽要求，而双扼流槽除了利于提高单元隔离度外，还利于不同天线单元方向图一致性。
如图5所示，发射天线单元馈电端(11)、接收天线单元馈电端(10)均为矩形波导口，波导口尺寸6mm×2mm。每个波导口两侧两个M2的螺纹孔，用于收发天线阵列与发射开关阵列(4)、接收开关阵列(5)的定位与安装。
如图6所示，所述的发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)结构外形一致，为“T”字形结构，分别具有24路发射通道和24路接收通道。开关阵列波导口(12)为矩形波导口，波导口尺寸6mm×2mm，等间距10mm排布。
如图7所示，结合发射开关阵列(4)的工作原理，毫米波激励信号进入发射开关阵列(4)，经由饱和输出功率20dBm的功率放大器PA(15)进行信号放大，再经单刀三掷开关SP3T分为3路，进一步进入单刀八掷开关SP8T分为24路，输出至选定的发射天线单元进行能量辐射。
如图8所示，结合接收开关阵列(5)的工作原理，接收天线单元进行回波信号的接收，进入选通的接收通道经由单刀八掷开关SP8T，再由低噪声放大器LNA(16)进行信号放大，进一步经单刀三掷开关SP3T合为1路，输出至后端。低噪声放大器LNA(16)的噪声系数小于2.5dB且增益大于25dB。
以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，其特征在于：所述的收发开关天线阵模块包括发射天线阵列(1)、接收天线阵列(2)、隔离条(3)、发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)；所述的发射天线阵列(1)、接收天线阵列(2)和隔离条(3)在结构上为一个整体模块，其包含24路发射天线单元和24路接收天线单元；所述的发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)结构外形一致，分别具有24路发射通道和24路接收通道；所述的发射天线阵列(1)、接收天线阵列(2)、发射开关阵列(4)和接收开关阵列(5)通过固定装配成为一个射频收发前端基本功能模块，发射开关阵列(4)内部单刀三掷开关SP3T的前级设置功率放大器PA(15)，饱和输出功率20dBm；接收开关阵列(5)内部单刀八掷开关SP8T与单刀三掷开关SP3T的级间设置低噪声放大器LNA(16)，噪声系数小于2.5dB且增益大于25dB。
2.根据权利要求1所述的一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，其特征在于：该收发开关天线阵模块工作于Ka波段，工作频率范围32-37GHz。
3.根据权利要求1所述的一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，其特征在于：发射天线阵列(1)的单元间距为10mm，发射天线单元馈电端(11)为矩形波导口；接收天线阵列(2)的单元间距为10mm，接收天线单元馈电端(10)为矩形波导口。
4.根据权利要求1所述的一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，其特征在于：发射天线阵列(1)和接收天线阵列(2)的线阵间距为15mm，且相邻的发射天线单元和接收天线单元交错布置。
5.根据权利要求1所述的一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，其特征在于：发射天线阵列(1)和接收天线阵列(2)的单元为矩形波导喇叭复合双扼流槽形式，喇叭口尺寸6mm×3.5mm；外圈扼流槽(13)宽度1.1mm、深度2.6mm，为相邻单元所共用，而内圈扼流槽(14)宽度1.1mm、深度2.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于主动式毫米波成像系统的收发开关天线阵模块，其特征在于：发射开关阵列输入口(6)为K型毫米波同轴连接器，其控制与供电接口(7)为J-30J微矩形多芯连接器，24路输出口均为矩形波导口；接收开关阵列输出口(8)为K型毫米波同轴连接器，其控制与供电接口(9)为J-30J微矩形多芯连接器，24路输入口均为矩形波导口。
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