CN112186347B - 应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及毫米波安检成像的天线阵列设计技术领域，公开了一种应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，所述应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线通过在印制电路板设置微带线转带状线结构及在发射天线阵列和接收天线阵列之间增设扼流槽，所述微带线转带状线结构用于实现微带线向带状线的变换，所述扼流槽用于对发射天线阵列及接收天线阵列的反射腔外的干扰信号进行抑制，以提高收发隔离度。本发明的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线具有宽带、高效率、高隔离度、结构简单、装配可靠性强的特点。

Description

应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线

技术领域

本发明涉及毫米波安检成像的天线阵列设计技术领域，具体涉及一种应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线。

背景技术

毫米波安检成像仪，工作于天线阵列的近场区域，为提高接收信号的信噪比，应尽量提高发射功率，同时改善收发天线阵列间的信号隔离度，以避免收发天线直接耦合信号将接收链路前级低噪声放大器推饱和。为提高系统集成度，天线与射频收发模块共印制板设计，采用印制线直连馈电，省去相关连接电缆及射频连接器，有效降低系统成本。目前常用的射频前端一体化集成天线形式有微带天线、印刷偶极子天线、喇叭天线等。

微带天线更易于利用印制板实现与射频收发模块的一体化集成设计，但其带宽较窄，难以满足系统成像分辨率对天线带宽的需求。印刷偶极子天线具有较宽的工作带宽，但其剖面较高，同时不易实现收发通道间的高隔离度。

因此，亟待提供一种新的技术方案解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的射频前端一体化集成天线带宽窄、低效率、低隔离度且结构复杂的问题，提供一种应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，该应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线具有宽带、高效率、高隔离度、结构简单、装配可靠性强的特点。

为了实现上述目的，本发明提供一种应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，包括印制电路板、发射天线阵列、接收天线阵列以及扼流槽；所述发射天线阵列与所述接收天线阵列设置在所述印制电路板上，所述扼流槽位于所述发射天线阵列与所述接收天线阵列之间；所述印制电路板包括微带线、微带线转带状线结构以及带状线；所述微带线、所述微带线转带状线结构以及所述带状线设置有两组，分别设置在所述发射天线阵列和接收天线阵列一侧；所述微带线设置在所述印制电路板表面，所述微带线转带状线结构贯穿所述印制电路板，并与所述微带线连接；所述带状线设置在所述印制电路板内，所述带状线一端与所述微带线转带状线结构连接，两组所述带状线另一端分别连接所述发射天线阵列和接收天线阵列。

优选地，所述微带线转带状线结构包括过孔和接地孔，所述接地孔环绕设置在所述过孔外周。

优选地，所述接地孔为金属化接地孔。

优选地，所述接地孔至少设置有10个。

优选地，所述过孔为馈电过孔。

优选地，所述发射天线阵列包括多个均匀分布的发射金属喇叭天线，所述接收天线阵列包括多个均匀分布的接收金属喇叭天线，所述发射金属喇叭天线与所述接收金属喇叭天线相错设置。

优选地，所述应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线还包括射频发射模块和射频接收模块，所述射频发射模块和所述射频接收模块设置在所述印制电路板上，所述射频发射模块位于所述发射天线阵列一侧，所述射频发射模块与所述发射天线阵列一侧的所述微带线连接；所述射频接收模块位于所述接收天线阵列一侧，所述射频接收模块与所述接收天线阵列一侧的所述微带线连接。

优选地，所述发射金属喇叭天线、所述接收金属喇叭天线、所述射频接收模块以及所述射频发射模块采用共印制板设置。

优选地，所述发射金属喇叭天线与所述接收金属喇叭天线包括背腔段和辐射段，所述背腔段与所述辐射段之间夹设所述印制电路板，所述印制电路板、所述辐射段和所述背腔段通过紧固螺钉组装固定。

优选地，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列为H面互耦。

通过上述技术方案，本发明提供一种应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，所述应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线通过在印制电路板设置微带线转带状线结构及在发射天线阵列和接收天线阵列之间增设扼流槽，所述微带线转带状线结构用于实现微带线向带状线的变换，所述扼流槽用于对发射天线阵列及接收天线阵列的反射腔外的干扰信号进行抑制，以提高收发隔离度。本发明的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线具有宽带、高效率、高隔离度、结构简单、装配可靠性强的特点。

附图说明

图1是本发明所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线结构示意图；

图2是本发明所述的印制电路板层叠结构示意图；

图3是本发明所述的微带线转带状线结构示意图；

图4是带状线激励辐射金属喇叭阻抗匹配电路示意图；

图5是本发明所述的金属喇叭天线结构示意图；

图6是微带线馈电辐射喇叭天线与带状线馈电辐射喇叭天线的结构对比示意图；

图7是本发明所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线实物图；

图8是本发明所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线工作流程图；

图9是本发明所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线实测驻波结果；

图10是本发明的相邻收发天线对的隔离度实测结果；

图11是本发明所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线的实测方向图曲线。

附图标记说明

1、印制电路板；11、微带线；12、微带线转带状线结构；121、过孔；122、接地孔；13、带状线；2、发射天线阵列；21、发射金属喇叭天线；3、接收天线阵列；31、接收金属喇叭天线；4、扼流槽；5、射频发射模块；6、射频接收模块；7、背腔段；8、辐射段；9、带状线馈电匹配电路；100、应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性，或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，除非另有说明，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；“多个”的含义是两个或两个以上。术语“包括”及其任何变形，意为不排他的包含，可能存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

另外，“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语，是基于附图所示的方位或相对位置关系描述的，仅是为了便于描述本申请的简化描述，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1-7，本发明提供一种应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100，包括印制电路板1、发射天线阵列2、接收天线阵列3以及扼流槽4；所述发射天线阵列2与所述接收天线阵列3设置在所述印制电路板1上，所述扼流槽4位于所述发射天线阵列2与所述接收天线阵列3之间。所述印制电路板1包括微带线11、微带线转带状线结构12以及带状线13；所述微带线11、所述微带线转带状线结构12以及所述带状线13设置有两组，分别设置在所述发射天线阵列2和所述接收天线阵列3一侧；所述微带线11设置在所述印制电路板1表面，所述微带线转带状线结构12贯穿所述印制电路板1，并与所述微带线11连接；所述带状线13设置在所述印制电路板1内，所述带状线13一端与所述微带线转带状线结构12连接，两组所述带状线13另一端分别连接所述发射天线阵列2和所述接收天线阵列3。

通过上述技术方案，本发明提供一种应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100，通过在印制电路板1设置微带线转带状线结构12及在发射天线阵列2和接收天线阵列3之间增设扼流槽4，所述微带线转带状线结构12用于实现微带线向带状线的变换，所述扼流槽4用于对发射天线阵列2及接收天线阵列3的反射腔外的干扰信号进行抑制，以提高收发隔离度。本发明的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100具有宽带、高效率、高隔离度、结构简单、装配可靠性强的特点。

所述发射天线阵列2包括多个均匀分布的发射金属喇叭天线21，所述接收天线阵列3包括多个均匀分布的接收金属喇叭天线31，所述发射金属喇叭天线21与所述接收金属喇叭天线31相错设置。交错排列的天线空间排布方式有助于实现高效率的安检成像。

所述应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100还包括射频发射模块5和射频接收模块6，所述射频发射模块5和所述射频接收模块6设置在所述印制电路板1上，所述射频发射模块5位于所述发射天线阵列2一侧，所述射频发射模块5与所述发射天线阵列2一侧的所述微带线13连接；所述射频接收模块6位于所述接收天线阵列3一侧，所述射频接收模块6与所述接收天线阵列3一侧的所述微带线13连接。所述应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100上设有射频收发模块(包括射频发射模块5及射频接收模块6)，用于收发射频信号。

本发明中，选用的所述印制电路板1为多层印制电路板，具体如图2所示，多层印制电路板具体包括8层，自离微带线的距离由近渐远依次为：微带信号线-微带线地(带状线上层地)-预留层-带状信号线-预留层-带状线下层地-预留层-地层，所述多层印制板具体通过半固化片和高频介质板压合而成，应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100利用多层印制电路板1进行激励，能够实现与射频收发模块的一体化集成。

由于射频发射模块5和射频接收模块6中的发射末级功放、接收前级低噪放等芯片通常位于多层印制电路板的顶层，且其输出/输入信号线通常为50欧姆微带线，因此本发明涉及天线亦采用顶层50欧姆微带线作为信号输入，以实现同射频收发模块的一体化级联。

本发明中，所述微带线转带状线结构12包括过孔121和接地孔122，所述接地孔122环绕设置在所述过孔121外周，所述接地孔122为金属化接地孔，所述过孔121为馈电过孔，所述接地孔122至少设置有10个，具体如图3-4所示，所述过孔121及所述接地孔122的直径能够调节，通过对馈电过孔直径及外圈金属化过孔至馈电过孔中心距离的调节，实现“微带线-带状线”的匹配过渡。

在此需要说明的是，所述微带线转带状线结构12等效于类同轴结构，所述过孔121等效于同轴内芯，所述接地孔122等效于同轴外壁，所述接地孔122至所述过孔121心部的距离等效于同轴外径，通过对同轴内芯及同轴外径的调整，以实现所述微带线转带状线结构12，即应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100通过类同轴结构，将顶层微带线转为中间层带状线，从而实现与射频收发模块的一体化级联。由于本发明采用的是50Ω微带线，应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100通过类同轴结构，将顶层50Ω微带线转为中间层50Ω带状线，50Ω带状线通过阻抗匹配电路实现对金属喇叭天线的激励，同时带状线信号隔离接地孔122，实能够现对带状线信号的约束，避免高次模的产生。

本发明中，所述发射金属喇叭天线21、所述接收金属喇叭天线31、所述射频接收模块6以及所述射频发射模块5采用共印制板设置。天线与射频收发模块采用共印制板设计，通过印制线直连馈电，能够省去相关连接电缆及射频连接器，有效降低制作成本。

所述发射金属喇叭天线21与所述接收金属喇叭天线31包括背腔段7和辐射段8，以实现电磁信号由印制板馈电线路到自由空间的收发转换，具体如图5所示，所述背腔段7与所述辐射段8之间夹设所述印制电路板1，所述印制电路板1、所述辐射段8和所述背腔段7通过紧固螺钉组装固定，通过合理布置天线姿态，能够调整接收天线阵列3和发射阵列2为电场H面耦合，以提高收发隔离度。

进一步地，如图5所示，所述发射天线阵列2与所述接收天线阵列3为H面互耦，即使金属喇叭天线工作处于H极化，则其收、发天线对之间为H面互耦。

在此需要说明，由于喇叭为矩形，垂直于宽边方向为天线电场面(又称E面)，平行于宽边方向为天线磁场面(又称H面)，两天线沿E面放置，为E面互耦，两天线沿H面放置，为H面互耦；H面互耦低于E面互耦。H极化为水平极化的意思，这里指天线的极化方向平行于地面。具体请参阅图9，相较于E面互耦，H面互耦能够进一步提升应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100的收发隔离度。

本发明中，相较于微带线馈电喇叭天线，采用应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，能够简化天线结构，提高结构装配的可靠性。具体结构区别如图6所示，微带线直接馈电喇叭天线，需要在喇叭侧壁开孔以避让微带线，加工难度和成本较高；带状线馈电波导侧壁完整，不会破坏喇叭天线的完整性，可降低加工成本及装配复杂度。

综上，本发明提供的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100通过在印制电路板1设置微带线转带状线结构12及在发射天线阵列2和接收天线阵列3之间增设扼流槽4，实物如图7所示，所述微带线转带状线结构12用于实现微带线向带状线的变换，所述扼流槽4用于对发射天线阵列2及接收天线阵列3的反射腔外的干扰信号进行抑制，以提高收发隔离度，最终使得应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100具有宽带、高效率、高隔离度、结构简单、装配可靠性强的特点。

请参阅图8，本发明所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线100工作流程具体为：

天线发射信号时，射频发射模块通过“类同轴”转化结构将顶层50Ω微带线转化为中间层50Ω带状线，并将经由带状线匹配电路的信号通过辐射喇叭传至自由空间；而接收信号则先通过自由空间传导至辐射喇叭的带状线匹配电路，然后通过“类同轴”转化结构将中间层50Ω带状线转化为顶层50Ω微带线，并通过微带线传递的电信号被射频接收模块接收。

本发明通过对应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线进行实测，如图9-11所示，其中，图10中所述T4-R3收发天线对表明发射天线阵列由左至右第四个发射金属喇叭天线与接收天线阵列由左至右第三个接收金属喇叭天线所构成的收发天线对，所述T4-R4收发天线对则表明发射天线阵列由左至右第四个发射金属喇叭天线与接收天线阵列由左至右第四个接收金属喇叭天线所构成的收发天线对，测试结果表明：应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线驻波带宽可达40％(20GHz-30GHz频段范围内电压驻波比<1.5)，相邻收发天线对之间隔离度优于-55dB，确保本发明提供的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线能够很好地满足毫米波人体安检成像分辨率对系统带宽的要求。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，其特征在于，包括印制电路板(1)、发射天线阵列(2)、接收天线阵列(3)以及扼流槽(4)；所述发射天线阵列(2)与所述接收天线阵列(3)设置在所述印制电路板(1)上，所述扼流槽(4)位于所述发射天线阵列(2)与所述接收天线阵列(3)之间；

其中，所述印制电路板(1)包括微带线(11)、微带线转带状线结构(12)以及带状线(13)；所述微带线(11)、所述微带线转带状线结构(12)以及所述带状线(13)设置有两组，分别设置在所述发射天线阵列(2)和所述接收天线阵列(3)一侧；所述微带线(11)设置在所述印制电路板(1)表面，所述微带线转带状线结构(12)贯穿所述印制电路板(1)，并与所述微带线(11)连接；所述带状线(13)设置在所述印制电路板(1)内，所述带状线(13)一端与所述微带线转带状线结构(12)连接，两组所述带状线(13)另一端分别连接所述发射天线阵列(2)和所述接收天线阵列(3)；

所述微带线转带状线结构(12)包括过孔(121)和接地孔(122)，所述接地孔(122)环绕设置在所述过孔(121)外周；

所述接地孔(122)为金属化接地孔，所述过孔(121)为馈电过孔；

所述过孔(121)及所述接地孔(122)的直径能够调节；

其中，所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线的工作频率范围为20GHz-30GHz。

2.根据权利要求1所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，其特征在于，所述接地孔(122)至少设置有10个。

3.根据权利要求1所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，其特征在于，所述发射天线阵列(2)包括多个均匀分布的发射金属喇叭天线(21)，所述接收天线阵列(3)包括多个均匀分布的接收金属喇叭天线(31)，所述发射金属喇叭天线(21)与所述接收金属喇叭天线(31)相错设置。

4.根据权利要求3所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，其特征在于，所述应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线还包括射频发射模块(5)和射频接收模块(6)，所述射频发射模块(5)和所述射频接收模块(6)设置在所述印制电路板(1)上，所述射频发射模块(5)位于所述发射天线阵列(2)一侧，所述射频发射模块(5)与所述发射天线阵列(2)一侧的所述微带线(11)连接；所述射频接收模块(6)位于所述接收天线阵列(3)一侧，所述射频接收模块(6)与所述接收天线阵列(3)一侧的所述微带线(11)连接。

5.根据权利要求4所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，其特征在于，所述发射金属喇叭天线(21)、所述接收金属喇叭天线(31)、所述射频接收模块(6)以及所述射频发射模块(5)采用共印制板设置。

6.根据权利要求3所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，其特征在于，所述发射金属喇叭天线(21)与所述接收金属喇叭天线(31)包括背腔段(7)和辐射段(8)，所述背腔段(7)与所述辐射段(8)之间夹设所述印制电路板(1)，所述印制电路板(1)、所述辐射段(8)和所述背腔段(7)通过紧固螺钉组装固定。

7.根据权利要求1所述的应用于毫米波安检成像的带状线馈电喇叭天线，其特征在于，所述发射天线阵列(2)与所述接收天线阵列(3)为H面互耦。

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