CN110749883B - 高速公路的交通测速雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速公路的交通测速雷达，包括射频单元，射频单元内设有用于发射信号的射频源和用于接收信号的接收天线；所述射频单元经模数转换器连接有主控单元，主控单元内设有用于处理信号获取目标速度的数字处理模块；所述的接收天线包括两个以上移相单元排列组成的阵列相位板；所述移相单元包括一介质层，介质层的背部上设有呈双螺旋结构的铜棒；所述介质层的顶面设有金属贴片层。本发明具有非常优越的入射波接收聚焦效果，入射波接收能力强，而且对入射波的吸收达到超宽带吸收，具有非常好的吸收率。

Description

高速公路的交通测速雷达
技术领域
本发明涉及一种高速公路的交通测速雷达，属于通信领域。
背景技术
在高速公路以“高速、经济、安全、舒适”为理念的指导下，我国高速公路的发展迅速，已经走进了平常百姓的生活中，改变了人们的驾驶观念，改善了人们的生活方式，现在的高速公路不仅仅是经济生活的一部分，已经成为现代生活及文明的一个重要组成部分，然而高速公路给我们的生活带来便利的同时，每年也会因驾驶员超速行驶而发生大量的交通事故，所以在交通监管中，对高速公路上机动车的行驶速度进行监测是非常重要的手段。故在高速公路中的重要路段都会架设安装有测速雷达，以监测来往车辆的行驶速度，以减少因超速行驶而发生的交通事故。测速雷达利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。发射/接收天线是获取汽车与测速雷达发射信号相对运动重要部件。目前市场上的发射/接收天线在一般环境下都有着良好的性能指标，但在一些恶劣环境下，如雨、雪、冰雹环境以及有特征相似的环境电磁干扰的情况(以下简称强天气情况)下，发射/接收天线的工作稳定性及可靠性则大大降低，尤其是接收天线接收入射波的聚焦能力，会严重影响测速结果的准确性和及时性，从而造成很多不必要的麻烦。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高速公路的交通测速雷达。本发明具有非常优越的入射波接收聚焦效果，入射波接收能力强，而且对入射波的吸收达到超宽带吸收，具有非常好的吸收率。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：高速公路的交通测速雷达，包括射频单元，射频单元内设有用于发射信号的射频源和用于接收信号的接收天线；所述射频单元经模数转换器连接有主控单元，主控单元内设有用于处理信号获取目标速度的数字处理模块；所述的接收天线包括两个以上移相单元排列组成的阵列相位板；所述移相单元包括介质层，介质层的背部设有呈双螺旋结构的铜棒；所述铜棒的高度一致，且铜棒的螺距为3≤a≤11mm；所述的阵列相位板包括位于中心且螺距最大的中心移相单元，中心移相单元向外且根据螺距从小到大呈包围状排列多层外部移相单元，每层外部移相单元的个数为n×8个，n为外部移相单元的层数，且n≥1；所述介质层的顶面设有金属贴片层；所述的金属贴片层包括位于介质层表面中心位置的正八边环形贴片，所述的正八边环形贴片的内环宽度为2-3mm，所述的正八边环形贴片的外环宽度为4-4.4mm；所述正八边环形贴片的两侧设有扇环贴片，所述的扇环贴片为金属圆环柱被两个圆柱切割后形成；所述的金属圆环柱以介质层表面中心为圆心，所述的金属圆环的内侧面半径为4.7-5.5mm，金属圆环的外侧面半径为6-7mm；所述的两个圆柱为以介质层表面的两个对角为圆心，且两个圆柱的底面半径为6.5-7.5mm。
上述的高速公路的交通测速雷达，所述的外部移相单元的层数为2-7层。
前述的高速公路的交通测速雷达，所述的外部移相单元的层数为2层，所述的中心移相单元的螺距为4mm，第二层外部移相单元的螺距为5.66667mm，第三层外部移相单元的螺距为10.0988mm。
前述的高速公路的交通测速雷达，所述介质层3的长宽均为14-16mm，介质层3的厚度为1.5-3mm，介质层3的介电常数为2.2。
前述的高速公路的交通测速雷达，所述铜棒的长度为51mm，铜棒的一端有1mm设置在介质层内，且从介质层的表面至铜棒末端的长度为50mm；所述铜棒的截面直径为1mm。
前述的高速公路的交通测速雷达，所述的金属贴片层的厚度为0.12mm；所述金属贴片层的材料为铜。
前述的高速公路的交通测速雷达，所述的正八边环形贴片的外环宽度为4.2mm，内环宽度为2.5mm。
前述的高速公路的交通测速雷达，所述扇环贴片的外环的半径为6.8mm，内环半径为5mm。
前述的高速公路的交通测速雷达，所述的两个圆柱为以介质层表面的两个对角为圆心，且两个圆柱的底面半径为7mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
本发明对测速雷达中的接收天线做了创造性的改进，接收天线由两个以上移相单元排列组成的阵列相位板，移相单元包括一介质层，在介质层的背部上设置呈双螺旋结构的铜棒；其中阵列相位板包括位于中心且螺距最小的中心移相单元，中心移相单元向外且根据螺距从小到大呈包围状排列多层外部移相单元，每层外部移相单元的个数为n×8个，n为外部移相单元的层数，且n≥1，本发明具有非常优越的入射波接收聚焦效果，入射波接收能力强，本发明采用双螺旋结构的铜棒和介质层结合，大大的提高了铜棒利用率，而且本发明采用的双螺旋结构的形式，不需要对介质层设置金属管，进一步地避免了入射波折射进金属管的问题，提高了入射波的聚焦效果。此外，由于本发明不需要对介质层设置金属管，降低了接收天线的制造难度，其加工工艺简化，明显地降低了生产成本。
本发明还通过介质层的顶面设置金属贴片层；所述的金属贴片层包括位于介质层顶面中心位置的正八边环形贴片，正八边环形贴片的两侧设有扇环贴片，本发明的金属贴片层对5.7GHz到13.1GHz带宽范围内的电磁波可以达到超宽带吸收，而且平均吸收率在90％以上，具有电磁波吸收范围大，吸收率高的特点。
本发明还对移相单元的各部分在形状和尺寸上作了优选，优选后的结构进一步提高了聚焦效果和反射效率。本发明的聚焦天线形状立体，在相同聚焦效果的情况下可以有效利用空间，减少了天线的数量，而且本发明聚焦点处的能量更大，可达到14.5dBi,聚焦效果更好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是接收天线的结构示意图；
图3是移相单元的立体结构示意图；
图4是接收天线的后视图；
图5是接收天线的主视图；
图6是金属贴片层的结构示意图；
图7是对比例中的接收天线的电场分布图；
图8是对比例中的接收天线的的聚焦3d远场图；
图9是实施例2中的接收天线的的电场分布图；
图10是实施例2中的接收天线的的聚焦3d远场图；
图11是实施例4中的接收天线的的电场分布图；
图12是实施例4中的接收天线的的聚焦3d远场图；
图13是实施例3中的接收天线的的电场分布图；
图14是实施例3中的接收天线的的聚焦3d远场图；
图15是金属贴片层的模拟获得性能参数；
图16是本发明金属贴片层正常入射的模拟仿真S参数的结果；
图17是本发明金属贴片层吸收性能仿真结果；
图18是本发明金属贴片层在不同频率下的电场分布图。
附图标记：
1-移相单元，2-阵列相位板，3-介质层，4-铜棒，5-中心移相单元，6-外部移相单元，7-射频单元，8-射频源，9-接收天线，10-模数转换器，11-主控单元，12-数字处理模块，13-金属贴片层，14-正八边环形贴片，15-扇环贴片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：高速公路的交通测速雷达，如附图1所示，包括射频单元7，射频单元7内设有用于发射信号的射频源8和用于接收信号的接收天线9；所述射频单元7经模数转换器10连接有主控单元11，主控单元11内设有用于处理信号获取目标速度的数字处理模块12；所述的射频源8采用的是常规的无线电发射装置，用于发射无线电信号，所述的模数转换模器10采用的是高速模数转换器，所述的主控单元中的数字处理模块12采用的控制单元为STM32F446RE芯片。选用STM32F4系列的芯片为控制单元，其内置了DSP内核可以快速完成FFT变化以满足我们对雷达信号的实时处理，具体的，STM32F446RE芯片内置ADC、DAC、DMA、看门狗、中断、定时器、串口、CAN总线等相关的功能模块。其工作原理是射频源8发射出24G的线性调频信号，并由接收天线9接收汽车的回波信号，发射信号和回波信号做完混频后的模拟信号为差频信号。差频信号中包含了目标的距离信息和多普勒频率信息，利用差频信号的这个特点，经模数转换器10采样后作傅里叶变换可以得到目标的峰值频点，由于多普勒频率与目标运动的速度成正比，可以表示为
Figure GDA0002388258670000061
通过分析多普勒峰值的位置和正负，最终得到目标径向速度的大小和方向。
实施例2：在实施例1的基础上，如图2-4所示，所述的接收天线为正方形，包括由25个移相单元1排列组成的阵列相位板2，所述移相单元1包括一介质层3，介质层3上设有呈双螺旋结构的铜棒4，这25个移相单元的铜棒的高度是一致的。其中位于阵列相位板2中心的是中心移相单元5，数量为1个；第二层的外部移相单元个数为8个，第三层的外部移相单元的个数为16个。中心移相单元的螺距最小，第二层外部移相单元的螺距次之，第三层外部移相单元的螺距最大。由于螺距与操控电磁波的偏转角度有关，螺距的随意设置会导致电磁波的偏转角度不固定，从而无法产生对电磁波的聚焦效果或者聚焦效果差。根据对单个螺旋天线的仿真及参数筛选，按照相邻相位相差90°的原则，将-0.988°至178.832°的相位范围均分成3等份，并以此进行参数扫描找出特定的a的数值。如表1所示，其中螺距a依次分别3.3、5.02和5.98；
a 实际相位 理论相位
3.3 178.832 178.832
5.02 87.367 88.832
5.98 -0.988 -1.168
表1
本实施例中，将中心移相单元的铜棒的螺距a为3.3mm,选择相差90°的两个相位用于排列外部移相单元，其中第二层的外部移相单元的螺距a为5.02mm,第三层的外部移相单元的螺距a为5.98，由此排布得到接收天线的阵列相位板。
实施例3：在实施例1的基础上，如图2-4所示，所述的接收天线为正方形，包括由25个移相单元1排列组成的阵列相位板2，所述移相单元1包括一介质层3，介质层3上设有呈双螺旋结构的铜棒4，这25个移相单元的铜棒的高度是一致的。其中位于阵列相位板2中心的是中心移相单元5，数量为1个；第二层的外部移相单元个数为8个，第三层的外部移相单元的个数为16个。中心移相单元的螺距最小，第二层外部移相单元的螺距次之，第三层外部移相单元的螺距最大。即所述的中心移相单元5设置在接收天线的中心处，且铜棒4的螺距最大，外部移相单元6呈包围状将中心移相单元5环绕，且外部移相单元6上铜棒4的螺距由里层向外层依次变小，每一层中外部移相单元上铜棒4的螺距相同。由于螺距与操控电磁波的偏转角度有关，螺距随意设置会导致电磁波的偏转角度不固定，从而无法产生对电磁波的聚焦效果或者聚焦效果差。根据对单个螺旋天线的仿真及参数筛选，按照相邻相位相差45°的原则，将-146°至168°的相位范围均分成3等份，并以此进行参数扫描找出特定的a的数值。经申请人反复试验、筛选和总结，表2所示，其中螺距a依次分别4、5.6667、10.0988，
a 实际相位 理论相位
4 168.372 168.372
5.66667 34.62593 33.372
10.0988 -101.35931 -101.628
表2
本实施例中，将中心移相单元的铜棒的螺距a为4,选择相差90°的两个相位用于排列外部移相单元，其中第二层的外部移相单元的螺距a为5.66667,第三层的外部移相单元的螺距a为10.0988，由此排布得到接收天线的阵列相位板。
实施例4：在实施例1的基础上，如图2-4所示，所述的接收天线为正方形，包括由25个移相单元1排列组成的阵列相位板2，所述移相单元1包括一介质层3，介质层3上设有呈双螺旋结构的铜棒4，这25个移相单元的铜棒的高度是一致的。其中位于阵列相位板2中心的是中心移相单元5，数量为1个；第二层的外部移相单元个数为8个，第三层的外部移相单元的个数为16个。中心移相单元的螺距最小，第二层外部移相单元的螺距次之，第三层外部移相单元的螺距最大。即所述的中心移相单元5设置在接收天线的中心处，且铜棒4的螺距最大，外部移相单元6呈包围状将中心移相单元5环绕，且外部移相单元6上铜棒4的螺距由里层向外层依次变小，每一层中外部移相单元上铜棒4的螺距相同。由于螺距与操控电磁波的偏转角度有关，螺距随意设置会导致电磁波的偏转角度不固定，从而无法产生对电磁波的聚焦效果或者聚焦效果差。根据对单个螺旋天线的仿真及参数筛选，按照相邻相位相差45°的原则，将-146°至168°的相位范围均分成3等份，并以此进行参数扫描找出特定的a的数值。经申请人反复试验、筛选和总结，如表3所示，其中螺距a依次分别5、6.202、10.101；
a 实际相位 理论相位
5 78.582 78.582
6.202 -11.295 -11.418
10.101 -102.121 -101.418
表3
本实施例中，将中心移相单元的铜棒的螺距a为5,选择相差90°的两个相位用于排列外部移相单元，其中第二层的外部移相单元的螺距a为6.202,第三层的外部移相单元的螺距a为10.101，由此排布得到接收天线的阵列相位板。
实施例5：在实施例4的基础上，所述介质层3的长宽均为15mm，介质层3的厚度为2.5mm，介质层的介电常数为2.2，采用二氧化硅制成。所述铜棒4的长度为51mm，铜棒4的一端有1mm设置在介质层3内，且从介质层3的表面至铜棒另一端的长度为50mm；所述铜棒4中单螺旋结构的截面直径为1mm。
实施例6：在实施例4的基础上，所述的移相单元2的介质层3为正方形，长宽均为4mm，厚度为2mm，介电常数为2.2，可采用二氧化硅。所述铜棒4的长度为51mm，铜棒4的一端有1mm设置在介质层3内，且从介质层3的表面至铜棒另一端的长度为50mm；所述铜棒4中单螺旋结构的截面直径为1mm。如图3、图5和图6所示，所述介质层3的顶面设有金属贴片层13；所述的金属贴片层3的厚度为0.12mm；所述金属贴片层3的材料为铜，导电率为σ＝5.8×107s/m；所述的金属贴片层3包括位于介质层3顶面中心位置的正八边环形贴片14，所述的正八边环形贴片14的外环宽度为4.2mm，内环宽度为2.5mm；所述正八边环形贴片14的两侧设有扇环贴片15，所述的扇环贴片15为金属圆环柱被两个圆柱切割后形成；所述的金属圆环柱以介质层表面中心为圆心，所述的金属圆环的内侧面半径为5mm，金属圆环的外侧面半径为6.8mm；所述的两个圆柱为以介质层表面的两个对角为圆心，且两个圆柱的底面半径为7mm。
对比例：常规介质层加金属层结构的接收天线。
进一步地，申请人对实施例2-4和对比例进行仿真试验，其中波导口距离接收天线10mm，在结构中加上电场以及远场监视器，附图7是对比例中接收天线接受沿着Z轴方向正入射的入射波后所在的某一位置平面的电场分布图，附图8是对比例中接收天线由远场监视器生成的聚焦3d远场图，附图9是实施例2中接收天线接受沿着Z轴方向正入射的入射波后所在的某一位置平面的电场分布图，附图10是实施例2中接收天线由远场监视器生成的聚焦3d远场图；附图11是实施例4中接收天线接受沿着Z轴方向正入射的入射波后所在的某一位置平面的电场分布图，附图12是实施例4中接收天线由远场监视器生成的聚焦3d远场图，附图13是实施例3中接收天线接受沿着Z轴方向正入射的入射波后所在的某一位置平面的电场分布图，附图14是实施例3中接收天线由远场监视器生成的聚焦3d远场图，从图7、图9、图11和图13可以看出，本发明实施例中各接收天线具有很好的入射波聚焦效果，相比对比例具有更好的聚焦能力，而且从图10、图12和图14中可以看出，本发明实施例中的接受天线的最大场强的位置出现在接收天线的中心处，且光点小，说明聚焦能量最强，相比图8中对比例的场强图，本发明具有优越的聚焦能力。而且从上述图中可以明显的看出，实施例4中中心移相单元的铜棒的螺距设置为4，可以达到最好的聚焦效果，其聚焦能量可达到14.5dB。
申请人还利用CST微波工作室对移相单元1中介质层顶面的金属贴片层的吸收特性进行了仿真分析，选取边界条件为周期性的边界条件，设置Z方向是电磁波的入射方向，将谐振器的吸收率表示为
Figure GDA0002388258670000121
且Rxx和Rxy是共极化和交叉极化的反射系数；图15显示了通过模拟获得的金属贴片层的性能参数，横坐标代表频率，纵坐标代表吸收、共极化和交叉极化反射，由此谐振器的极化转化率可以用|Rcross|2/(Rcross|2+|Rco|2)表达，因此从图15中可以看出，本发明对5.7到13.1GHz这个带宽下的电磁波达到了90％以上，由此可见，本发明采用的金属贴片层具有优越的电磁波吸收率。
申请人还通过用S参数(反射系数)用于反映本发明金属贴片层的性能，利用仿真分析得到了如图16所示的正常入射的模拟仿真S参数的结果和如图17所示的吸收性能仿真结果，其中图16的横坐标代表频率，纵坐标代表在相应频率下的衰减程序，图17的横坐标代表频率，纵坐标代表吸收率，通常相对带宽(RB)定义为
Figure GDA0002388258670000122
(fH表示带宽频率的上限，fL表示频率的下限)，因此从图16和图17中可以看出低于-10dB的范围为5.7GHz到13.1GHz左右，吸收率大于90％的带宽为7.4GHz，相对带宽约为78.1％，吸收体达到了超宽带的标准。而且从图17中可以看到，本发明在6.07GHz、9.18GHz、12.75GHz和13.11GHz频率范围内共有四个主共振频率，实现从5-15GHZ超宽带的多个超高吸收共振点，具有非常好的吸收率。
申请人还对本发明金属贴片层的电场进行了模拟和分析，图18显示了在不同频率下的电场分布，其中图18(a)中频率为6.07GHz,图18(b)中频率为9.18GHz,图18(c)中频率为12.75GHz,图18(d)中频率为13.11GHz,在9.18和13.11GHz频率下，扇环贴片周围存在强烈的共振现象,在频率为6.07和9.18GHz时，正八边环形贴片存在低共振,而且随着入射波频率的增加，共振现象越来越明显，具有非常好的吸收率。
综上所述，本发明对测速雷达中的接收天线作了创造性的改进，本发明采用双螺旋结构的铜棒和介质层结合，然后在介质层的顶面设置金属贴片层，使其具有非常优越的入射波接收聚焦效果，入射波接收能力强，对5.7GHz到13.1GHz带宽范围内的入射波达到平均吸收率在90％以上，具有带宽吸声范围大，吸收率高的特点；本发明采用的双螺旋结构的形式，不需要对介质层设置金属管，进一步地避免了入射波折射进金属管的问题，提高了入射波的聚焦效果；由于本发明不需要对介质层设置金属管，降低了接收天线的制造难度，其加工工艺简化，大大的降低了生产成本。此外申请人还对移相单元的各部分在形状和尺寸上作了优选，优选后的结构进一步提高了聚焦效果和反射效率。本发明的聚焦天线形状立体，在相同聚焦效果的情况下可以有效利用空间，减少了天线的数量，而且本发明聚焦点处的能量更大，可达到14.5dBi,聚焦效果更好。

Claims (10)

1.高速公路的交通测速雷达，包括射频单元(7)，射频单元(7)内设有用于发射信号的射频源(8)和用于接收信号的接收天线(9)；所述射频单元(7)经模数转换器(10)连接有主控单元(11)，主控单元(11)内设有用于处理信号获取目标速度的数字处理模块(12)；其特征在于：所述的接收天线包括两个以上移相单元(1)排列组成的阵列相位板(2)；所述移相单元(1)包括介质层(3)，介质层(3)的背部设有呈双螺旋结构的铜棒(4)；所述铜棒的高度一致，且铜棒的螺距为3≤a≤11mm；所述的阵列相位板(2)包括位于中心且螺距最大的中心移相单元(5)，中心移相单元(5)向外且根据螺距从小到大呈包围状排列多层外部移相单元(6)，每层外部移相单元(6)的个数为n×8个，n为外部移相单元的层数，且n≥1；所述介质层(3)的顶面设有金属贴片层(13)；所述的金属贴片层(13)包括位于介质层(3)表面中心位置的正八边环形贴片(14)，所述的正八边环形贴片(14)的内环宽度为2-3mm，所述的正八边环形贴片(14)的外环宽度为4-4.4mm；所述正八边环形贴片(14)的两侧设有扇环贴片(15)，所述的扇环贴片(15)为金属圆环柱被两个圆柱切割后形成；所述的金属圆环柱以介质层表面中心为圆心，所述的金属圆环的内侧面半径为4.7-5.5mm，金属圆环的外侧面半径为6-7mm；所述的两个圆柱为以介质层表面的两个对角为圆心，且两个圆柱的底面半径为6.5-7.5mm。
2.根据权利要求1所述的高速公路的交通测速雷达，其特征在于：所述的外部移相单元(6)的层数为2-7层。
3.根据权利要求1所述的高速公路的交通测速雷达，其特征在于：所述的外部移相单元(6)的层数为2层，所述的中心移相单元的螺距为4mm，第二层外部移相单元的螺距为5.66667mm，第三层外部移相单元的螺距为10.0988mm。
4.根据权利要求1所述的高速公路的交通测速雷达，其特征在于：所述介质层(3)的长宽均为14-16mm，介质层(3)的厚度为1.5-3mm，介质层(3)的介电常数为2.2。
5.根据权利要求4所述的高速公路的交通测速雷达，其特征在于：所述介质层(3)的长宽均为15mm，介质层(3)的厚度为2mm，介质层(3)的介电常数为2.2。
6.根据权利要求1所述的高速公路的交通测速雷达，其特征在于：所述铜棒(4)的长度为51mm，铜棒(4)的一端有1mm设置在介质层(3)内，且从介质层(3)的表面至铜棒末端的长度为50mm；所述铜棒(4)的截面直径为1mm。
7.根据权利要求1所述的高速公路的交通测速雷达，其特征在于：所述的金属贴片层(13)的厚度为0.12mm；所述金属贴片层(13)的材料为铜。
8.根据权利要求1所述的高速公路的交通测速雷达，其特征在于：所述的正八边环形贴片(14)的外环宽度为4.2mm，内环宽度为2.5mm。
9.根据权利要求1所述的高速公路的交通测速雷达，其特征在于：所述扇环贴片(15)的外环的半径为6.8mm，内环半径为5mm。
10.根据权利要求1所述的高速公路的交通测速雷达，其特征在于：所述两个圆柱的底面半径为7mm。
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