CN110752441A - 一种收发天线及手持式穿墙雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种收发天线及手持式穿墙雷达系统，该收发天线包括介质基板、至少两个天线结构、若干枝节和若干第一缝隙，其中，天线结构并列设置在介质基板的第一侧表面上；若干第一缝隙分布在天线结构的两侧，且第一缝隙与天线结构的辐射方向垂直；若干枝节一一对应的分布在介质基板的两侧表面上，且若干枝节位于天线结构的辐射方向上。该收发天线通过在天线结构的两侧分布第一缝隙，实现天线的小型化，同时在天线结构的辐射方向分布设置枝节，提高整个天线的辐射增益，从而使得天线可以与射频电路板进行系统集成来减小穿墙雷达系统整体的尺寸，提高穿墙雷达系统的探测距离和系统的角度分辨率，进而获得高性能小型化的穿墙雷达系统。

Description

一种收发天线及手持式穿墙雷达系统
技术领域
本发明属于微波天线领域，具体涉及一种收发天线及手持式穿墙雷达系统。
背景技术
穿墙雷达是一种通过电磁波信号，探测墙体或者其他掩蔽物后方目标的设备。穿墙雷达可以将回波信号进行处理和分析，从而对墙体后方的目标进行定位和追踪。而且穿墙雷达可以穿透障碍物探测到如心跳、呼吸等微弱信号。运用穿墙的探测特性，在反恐和巷战的战场，士兵可以快速地掌握敌军的动态，从而第一时间作出正确的判断；在受灾现场的救援行动中，救援人员可以尽可能快地找到废墟中的被掩埋者，从而极大地提高幸存者的生存几率。
天线作为穿墙雷达系统的重要组成部分，其性能的优劣将对整个系统起着至关重要的作用。2017年12月山东科学院赵兴伟等人研发了一种新型的磁偶极子天线作为穿墙雷达天线。同年，印度RNS研究中心Anirudh博士设计一款超宽带喇叭天线；该天线工作频率为1.4GHz，采用线极化的工作方式，并在穿墙雷达实验中成功应用，测试结果证明该天线具有很好的探测性能。
尽管在过去有多种多样的天线被研发出来，作为穿墙雷达天线来使用。但是，它们的尺寸较大、增益较小，无法实现与穿墙雷达系统进行集成，无法实现高性能的穿墙雷达系统。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种收发天线及手持式穿墙雷达系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种收发天线，包括：介质基板、至少两个天线结构、若干枝节和若干第一缝隙，其中，
所述天线结构并列设置在所述介质基板的第一侧表面上；
若干所述第一缝隙分布在所述天线结构的两侧，且所述第一缝隙与所述天线结构的辐射方向垂直；
若干所述枝节一一对应的分布在所述介质基板的两侧表面上，且若干所述枝节位于所述天线结构的辐射方向上。
在本发明的一个实施例中，所述天线结构的数量为2个。
在本发明的一个实施例中，所述天线结构包括指数渐变缝隙和圆环，其中，
所述圆环设置在所述指数渐变缝隙的窄口端；
若干所述枝节分布在所述指数渐变缝隙的宽口端；
若干所述第一缝隙分布于所述指数渐变缝隙的两侧。
在本发明的一个实施例中，若干所述第一缝隙对称分布于所述指数渐变缝隙的两侧。
在本发明的一个实施例中，位于所述指数渐变缝隙一侧的若干所述第一缝隙均匀分布。
在本发明的一个实施例中，位于所述天线结构一侧表面上的若干所述枝节呈周期性排列。
在本发明的一个实施例中，所述枝节的形状包括矩形、三角形、圆形、梯形中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，还包括：至少一个第二缝隙，所述第二缝隙设置在相邻两个所述天线结构之间，且所述第二缝隙与所述第一缝隙垂直。
在本发明的一个实施例中，至少两个馈电线，所述馈电线设置在所述介质基板的第二侧表面上，且所述馈电线与所述天线结构一一对应。
本发明的另一个实施例提供了一种手持式穿墙雷达系统，包括收发天线和射频收发系统；
其中，所述收发天线包括如上述实施例所述的收发天线；
所述射频收发系统包括射频接口和至少两个射频收发芯片组，所述射频收发芯片组与所述射频接口连接，且每个所述射频收发芯片组与均所述收发天线连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的收发天线通过在天线结构的两侧分布第一缝隙，可以实现天线的小型化，同时在天线结构的辐射方向分布设置枝节，枝节会改变电磁波的分布从而提高整个天线的辐射增益，从而使得天线可以与射频电路板进行系统集成来减小穿墙雷达系统整体的尺寸，提高穿墙雷达系统的探测距离和系统的角度分辨率，进而获得高性能小型化的穿墙雷达系统。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种收发天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种收发天线S参数曲线图；
图3为本发明实施例提供的一种收发天线的增益随频率变化的曲线图；
图4a-图4c为本发明实施例提供的一种收发天线在4GHz、5GHz和6GHz时的辐射方向图；
图5为本发明实施例提供的一种手持式穿墙雷达系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
天线是一种能量转换器，它将电路中的导引电磁波转换为空间中传播的自由电磁波。因为其直接与射频系统相连，天线应该具有与射频收发系统相匹配的工作带宽。除此之外，天线增益以及天线的尺寸等都是在实际的应用系统中要考虑的重要指标。
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种收发天线的结构示意图。该收发天线包括：介质基板1、至少两个天线结构2、若干枝节3、若干第一缝隙4、至少一个第二缝隙5和至少两个馈电线6。介质基板1、天线结构2、第一缝隙4、第二缝隙5均设置在介质基板1的第一侧表面上，若干枝节3分布在介质基板1的两侧表面上。馈电线6设置在介质基板1的第二侧表面上。
多个天线结构2并列设置，多个天线结构2的辐射方向均一致。天线结构2的数量可以为2个，其中一个作为接收天线，另一个作为发射天线；也可以为3个，其中一个作为接收天线，另两个作为发射天线，或者一个作为发射天线，另两个作为接收天线；也可以为4个，其中两个作为接收天线，另两个作为发射天线。但是由于天线结构2的数量越多，天线的尺寸会相应增大，因此，优选的天线结构2的数量为2个，选用2个天线结构2不仅可以实现同时收发，而且有利于收发天线的小型化。
在一个具体实施例中，天线结构2为Vivaldi天线，包括指数渐变缝21和圆环22。指数渐变缝21用于匹配辐射电磁波和宽带阻抗，其开口缝隙线按照指数函数变化，因此，其一端为窄口，另一端为宽口。圆环22设置在指数渐变缝21的窄口端且与指数渐变缝21连通。
在每个天线结构2的两侧均分布设置有多个第一缝隙4，并且第一缝隙4的方向与天线结构2的辐射方向垂直，如图1所示，图1中天线结构2的辐射方向为竖直方向，则第一缝隙4的方向为水平方向。第一缝隙4使得天线的等效波长增加，因此第一缝隙4的设置可以实现天线的小型化，使得天线可以与射频电路板进行系统集成来减小穿墙雷达系统整体的尺寸。
在一个具体实施例中，多个第一缝隙4分布在指数渐变缝21的两侧。优选地，多个第一缝隙4在指数渐变缝21的两侧对称分布，且每一侧的多个第一缝隙4均匀分布，相邻两个第一缝隙4之间的距离均相等，其距离数值为3.5mm。多条第一缝隙4进行对称设置而且均匀分布，一方面能够实现天线的小型化，有利于整个雷达系统的集成化；另一方面可以增加天线在低频时的增益，提高雷达系统的作用范围和角度分辨率。
设置在介质基板1的每一侧表面上均设置有多个枝节3，且两侧的多个枝节3一一相对，即在介质基板1一侧的表面设置一个枝节3，则在介质基板1另一侧表面对应设置一个枝节3；位于天线结构2一侧的多个枝节3分布在天线结构2的辐射方向上，对应的，位于另一侧的多个枝节3也位于天线结构2的辐射方向上；也就是说，介质基板1两侧所分布的枝节3的数量及位置相同。进一步的，若干枝节3分布在所有天线结构2的辐射方向上。
在一个具体实施例中，天线结构2的辐射方向为指数渐变缝21的窄口至宽口方向，因此，多个枝节3分布在指数渐变缝21的宽口端。当天线结构2的数量为2个时，多个枝节3在2个天线结构2的宽口位置处进行分布。优选的，位于介质基板1两侧表面的枝节3呈周期性排列，例如，多个枝节3并排分布形成单行枝节，单行枝节再沿列的方向进行重复，从而使得多个枝节3形成周期性排列；在一个周期内，多个枝节3排列均匀。进一步的，枝节3的形状可以为矩形、三角形、圆形、梯形中的一种或多种；优选的，枝节3为矩形，矩形枝节能够在不增加天线宽度的情况下，使得天线在整个频段内的辐射增益增加，进而增加了雷达系统的探测距离，相邻两个矩形枝节之间的距离为2.7mm。
在指数渐变缝21的宽口端设置周期性排列的矩形枝节可以改变电磁波的分布，从而增强天线的辐射增益。
第二缝隙5设置在相邻的两个天线结构2之间，以将相邻的两个天线结构2分隔开，从而增加收发天线之间的隔离度，同时第二缝隙5还可以改善天线在低频时的辐射性能。优选的，第二缝隙5与第一缝隙4相互垂直，这样的设置可以提高收发天线之间的隔离度，使得发射天线和接收天线之间的信号干扰降到最小。本实施例中，天线结构2的数量为2个，因此，第二缝隙5的数量为1个。
馈电线6设置在介质基板1的第二侧表面上，且一个馈电线6对应于一个天线结构2。在一个具体实施例中，馈电线6与天线结构2的圆环22相对应设置，二者共同形成天线的馈电巴伦，作为天线和射频收发端连接的桥梁。本实施例中，天线结构2的数量为2个，因此，馈电线6的数量也为2个，且这两个馈电线6相背设置。
为了便于收发天线和射频收发电路板进行集成，介质基板1选用金属覆盖介质板，优选的选用覆铜介质板。天线结构2、第一缝隙4、第二缝隙5均为在金属上进行腐蚀得到的；枝节3为印制得到的金属枝节；馈电线6也为印制得到金属电线。
本实施例的收发天线在传统Vivaldi天线的基础上，在天线结构两侧腐蚀第一缝隙实现了天线的小型化和在天线辐射方向添加枝节增加天线的辐射增益。该收发天线可以与射频电路板进行系统集成来减小系统整体的尺寸，使其更加适用于手持或可穿戴设备例如手持式穿墙雷达系统中。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例以2个天线结构2、周期性排列的矩形枝节3为例对该收发天线的性能进行进一步说明。
该收发天线的工作原理为：发射信号通过馈电线6被传达到介质基板1另一侧的圆环22中，电磁波能量再通过指数渐变缝隙21向天线前方进行辐射，当电磁波经过矩形枝节3时，矩形枝节3会改变电磁波的分布从而提高整个天线的辐射增益。与发射信号相反，回波信号依次经过矩形枝节3、指数渐变缝隙21、圆环22，然后经过馈电线6将接收到的电磁能量馈送到下级系统中。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种收发天线S参数曲线图，其中，横坐标Freq为频率，纵坐标S-parameter为S参数。图2中在频段4-6GHz下，S11<-10dB、S21<-20dB，说明天线在所需的频段内具有良好的阻抗匹配性和较高的隔离度。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种收发天线的增益随频率变化的曲线图，其中，横坐标Freq为频率，纵坐标Gain为增益。图3中，在4-6GHz频段内，天线的辐射增益大于8dBi，说明天线具有高增益进而可以使系统能够获得更远的探测距离。
请参见图4a-图4c，图4a-图4c为本发明实施例提供的一种收发天线在4GHz、5GHz和6GHz时的辐射方向图。图4a-图4b表明收发天线在4～6G频段内，H面和E面的半功率波瓣宽度均小于70°，较小的半功率波瓣宽度可以提高雷达系统的角度分辨率。
实施例三
在实施例二的基础上，本实施例提供了一种手持式穿墙雷达系统。
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种手持式穿墙雷达系统的结构示意图。图5中的雷达系统包括收发天线和射频收发系统两部分。收发天线和射频收发系统由上往下被集成到一块介质基板1上且射频收发系统位于介质基板1的第二侧表面上，介质基板1可以采用Rogers 4350B基板。
射频收发系统包括射频接口7和至少两个射频收发芯片组8。射频接口7位于介质基板1的边侧；射频收发芯片组8的个数与馈电线6的个数保持一致。射频收发芯片组8与射频接口7连接，且射频收发芯片组8与收发天线相连接；即射频收发芯片组8连接在收发天线和射频接口7之间。
具体地，射频接口7可以为SMA射频接口，其数量可以为4个。收发天线的结构请参见实施例二中所采用的收发天线，对应的，射频收发芯片组8的数量为2个。在图5中，左边的射频收发芯片组8用于接收信号，右边的射频收发芯片组8用于发射信号。
进一步，每个射频收发芯片组8包括3个射频收发芯片81、82、83，其中射频收发芯片81与收发天线中对应的馈电线6连接，其余两个射频收发芯片82、83依次串接在射频收发芯片81之后，射频收发芯片83与射频接口7连接，其中左边的射频芯片组8与上边两个射频接口7相连，右边的射频芯片组8与下边的两个射频接口7相连。
当回波信号被接收天线所接收，经过馈电线6将接收到的电磁能量馈送到射频收发芯片中，射频收发芯片对信号进行一系列处理之后将其转换为数字信号并在FPGA中进行处理。射频接口7可以对信号进行实施观测以对该雷达系统进行有效的调试和优化。
本实施例中，收发天线具备小型化特性，因此，该雷达系统的整体尺寸可以有效的得到减小；而且，由于收发天线的高增益特性，提高了穿墙雷达系统的探测距离和系统的角度分辨率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种收发天线，其特征在于，包括：介质基板(1)、至少两个天线结构(2)、若干枝节(3)和若干第一缝隙(4)，其中，
所述天线结构(2)并列设置在所述介质基板(1)的第一侧表面上；
若干所述第一缝隙(4)分布在所述天线结构(2)的两侧，且所述第一缝隙(4)与所述天线结构(2)的辐射方向垂直；
若干所述枝节(3)一一对应的分布在所述介质基板(1)的两侧表面上，且若干所述枝节(3)位于所述天线结构(2)的辐射方向上。
2.如权利要求1所述的收发天线，其特征在于，所述天线结构(2)的数量为2个。
3.如权利要求1所述的收发天线，其特征在于，所述天线结构(2)包括指数渐变缝隙(21)和圆环(22)，其中，
所述圆环(22)设置在所述指数渐变缝隙(21)的窄口端；
若干所述枝节(3)分布在所述指数渐变缝隙(21)的宽口端；
若干所述第一缝隙(4)分布于所述指数渐变缝隙(21)的两侧。
4.如权利要求3所述的收发天线，其特征在于，若干所述第一缝隙(4)对称分布于所述指数渐变缝隙(21)的两侧。
5.如权利要求3所述的收发天线，其特征在于，位于所述指数渐变缝隙(21)一侧的若干所述第一缝隙(4)均匀分布。
6.如权利要求1所述的收发天线，其特征在于，位于所述天线结构(2)一侧表面上的若干所述枝节(3)呈周期性排列。
7.如权利要求1所述的收发天线，其特征在于，所述枝节(3)的形状包括矩形、三角形、圆形、梯形中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的收发天线，其特征在于，还包括：至少一个第二缝隙(5)，所述第二缝隙(5)设置在相邻两个所述天线结构(2)之间，且所述第二缝隙(5)与所述第一缝隙(4)相互垂直。
9.如权利要求1所述的收发天线，其特征在于，还包括：至少两个馈电线(6)，所述馈电线(6)设置在所述介质基板(1)的第二侧表面上，且所述馈电线(6)与所述天线结构(2)一一对应。
10.一种手持式穿墙雷达系统，其特征在于，包括收发天线和射频收发系统，其中，所述收发天线包括如权利要求1～9任一项所述的收发天线；
所述射频收发系统包括射频接口(7)和至少两个射频收发芯片组(8)，所述射频收发芯片组(8)与所述射频接口(7)连接，且每个所述射频收发芯片组(8)均与所述收发天线连接。
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