CN112886235A - 一种低剖面的超宽带雷达差分天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面的超宽带雷达差分天线，包括从上往下依次设置的第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板，所述第一层介质板上表面设置于有作为天线辐射体的第一铜皮，所述第三层介质上表面设置有馈电铜皮，所述第三层介质板下表面设置有第二铜皮和差分端口铜皮，所述第一铜皮、馈电铜皮和差分端口铜皮通过金属馈电探针连接，所述金属馈电探针穿过第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板设置，所述第一铜皮上开设有凹槽，所述第二铜皮作为天线的地。本发明具有结构简单、拓宽天线频谱带宽的优点。

Description

一种低剖面的超宽带雷达差分天线

技术领域

本发明主要涉及天线技术领域，具体地说，涉及一种低剖面的超宽带雷达差分天线。

背景技术

超宽带雷达系统具有功耗低、电磁兼容性好、抗干扰能力强等优点，并且因为不需要调制和解调，系统结构相对简单，具有成本低、易维护的特点。因此，使用方便、测量准确、安全可靠的超宽带雷达非常适用于生命体征检测等应用场景，可以广泛应用在将来的非接触式医疗、智能看护、智能养老等医疗健康领域，大大降低医院，养老院等机构的运营成本。超宽带雷达发射非正弦、极窄的脉冲无线电信号，信号占用的带宽和中心频率之比要远远大于一般宽带系统，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)对超宽带信号作出了如下定义：无线通信系统的相对带宽大于25％或者绝对带宽大于500MHz的信号是超宽带信号。所以这也要求天线能够覆盖极大的带宽。

随着通信技术的不断发展，电子设备的体积要求越来越小，重量要求也越来越轻，所以高集成多功能的芯片技术逐渐成为研究的焦点。近年来，由于处理差分信号的电路能够较容易的实现集成度很高的单一芯片，差分电路已经越来越受到更高的关注。结构紧凑、高度集成的射频前端产品给天线带来了两个挑战。第一是需要降低天线的尺寸和剖面的情况下保证工作带宽，第二是需要采用差分馈电，方便与射频差分端口系统集成，避免因引入巴伦而导致的体积增加和不必要的损耗。

目前超宽带天线有若干种类型，能够做到多个倍频程的超宽带天线，比如螺旋天线，Vivaldi天线，宽带平面单极子天线等等，以及这些天线的各种改进型天线。但是螺旋天线需要加载反射腔体，剖面需要接近最小辐射频率的四分之一波长；Vivaldi天线为端射天线，在辐射方向上剖面太高；平面单极子天线是全向天线，不利用雷达等需要定向辐射的应用。

微带贴片天线是一种低剖面的定向辐射型天线，但是常规的微带贴片天线是窄带天线，不能用于超宽带系统。为了提高微带贴片天线的带宽，许多解决方案被提出来，比如说在贴片蚀刻“U型”或者“E形”开槽，利用容性耦合，或者增加寄生谐振等等，可以将微带贴片天线的带宽提升至10-50％。但是这些方法要么需要在中间添加空气层，增加了天线整体高度和结构复杂性，要么增加了天线的面积。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低剖面的超宽带雷达差分天线，可解决现有技术的缺陷。

本发明的低剖面的超宽带雷达差分天线，包括从上往下依次设置的第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板，所述第一层介质板上表面设置于有作为天线辐射体的第一铜皮，所述第三层介质上表面设置有馈电铜皮，所述第三层介质板下表面设置有第二铜皮和差分端口铜皮，所述第一铜皮、馈电铜皮和差分端口铜皮通过金属馈电探针连接，所述金属馈电探针穿过第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板设置，所述第一铜皮上开设有凹槽，所述第二铜皮作为天线的地。

进一步地，所述凹槽为U形槽，所述金属馈电探针与第一铜皮相连的一端位于所述U形槽的U形区域内。

进一步地，所述第一铜皮、馈电铜皮和差分端口铜皮的数量均为两块，两块第一铜皮相互平行且对称设置于第一层介质板的上表面，两块馈电铜皮相互平行且对称设置于第三层介质板的上表面，两块差分端口铜皮相互平行且对称设置于第三层介质板的下表面，每块所述馈电铜皮对应一块第一铜皮和一块差分端口铜皮。

进一步地，所述金属馈电探针的数量为两组，每组金属馈电探针连接对应的一块第一铜皮、馈电铜皮和差分端口铜皮。

进一步地，每组所述金属馈电探针包括第一金属馈电探针和第二金属馈电探针，所述第一金属馈电探针穿过第一层介质板和第二层介质板设置，用于连接第一铜皮和馈电铜皮，所述第二金属馈电探针穿过第二层介质板和第三层介质板设置，用于连接馈电铜皮和差分端口铜皮。

进一步地，所述馈电铜皮呈L形，包括第一馈电铜皮和第二馈电铜皮，所述第一金属馈电探针连接第一铜皮和第一馈电铜皮，所述第二金属馈电探针连接第二馈电铜皮和差分端口铜皮。

进一步地，所述第一铜皮设置于第一层介质板上表面的左端，所述第二铜皮设置于第三层介质板下表面的左端，所述差分端口铜皮设置于第三层介质板下表面的右端。

进一步地，所述第一铜皮和/或所述第二铜皮为矩形结构。

进一步地，所述差分端口铜皮外形为矩形渐变线状，其长度大于四分之一介质波长。

进一步地，所述第一层介质板和/或第二层介质板和/或第三层介质板采用FR4板材，所述第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板从上往下依次贴合设置。

本发明的低剖面的超宽带雷达差分天线，包括第一层介质板、第二层介质板、第三层介质板、第一铜皮、第二铜皮、差分端口铜皮和金属馈电探针，第一铜皮设置于第一层介质板上表面，作为天线辐射体，馈电铜皮设置于所述第三层介质上表面，第二铜皮和差分端口铜皮分别设置于所述第三层介质板下表面，所述金属馈电探针穿过第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板设置，用于连接第一铜皮、馈电铜皮和差分端口铜皮，所述第一铜皮上开设有凹槽，所述第二铜皮作为天线的地。本发明通过调整天线各部件的结构参数，实现天线辐射体，馈电铜皮以及差分端口铜皮之间的宽频带阻抗匹配，并通过差分端口铜皮与外部雷达芯片直接连接，在三层介质板总厚度不到2mm的情况下，可以使天线获得约30％的频谱带宽，满足超宽带雷达系统对天线的要求。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一实施例的低剖面的超宽带雷达差分天线的侧视图；

图2是图1中第一层介质板上表面的俯视图；

图3是图1中第三介质层上表面的俯视图；

图4是图1中第三介质层下表面的仰视图。

附图标记说明：

第一铜皮-1 第二铜皮-2

第一金属馈电探针-3 第一馈电铜皮-4

第二馈电铜皮-5 第二金属连接探针-6

差分端口铜皮-7 第一层介质板-8

第二层介质板-9

第三层介质板-10

U形槽-11

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明中，使用的方位如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”均以图1所示的视图为基准。术语“第一”、“第二”主要用于区分不同的部件，但不对部件进行具体限制。

参见图1-图4，本发明一实施例的低剖面的超宽带雷达差分天线包括从上往下依次设置的第一层介质板8、第二层介质板9和第三层介质板10，优选地，第一层介质板8、第二层介质板9和第三层介质板10从上往下依次贴合设置，第一层介质板8上表面的左端设置于有作为天线辐射体的第一铜皮1，第三层介质上表面的左端设置有馈电铜皮，第三层介质板10下表面设置有第二铜皮2和差分端口铜皮7，第二铜皮2位于左端，差分端口铜皮7位于右端，第一铜皮1、馈电铜皮和差分端口铜皮7通过金属馈电探针连接，且金属馈电探针穿过第一层介质板8、第二层介质板9和第三层介质板10设置，第二铜皮2作为天线的地，第一铜皮1上开设有凹槽，优选地，该凹槽为U形槽11，金属馈电探针与第一铜皮1相连的一端位于该U形槽11的U形区域内，第一铜皮1和/或第二铜皮2为矩形渐变线状。本发明通过调整第一铜皮1、第二铜皮2的长宽尺寸，使天线单元在超宽带频段内(3.1GHz-10GHz)谐振，调整U形槽11尺寸可以使天线带宽扩展。需要说明的是，该凹槽并不仅限于为U形槽11，也可以是T形槽、C形槽、O形槽或其他形状凹槽，本发明并不受限于此。

在图1-图4所示的实施例中，第一铜皮1、馈电铜皮和差分端口铜皮7的数量优选为两块，两块第一铜皮1相互平行且对称设置于第一层介质板8上表面的相对前部和后部，两块馈电铜皮相互平行且对称设置于第三层介质板10上表面的相对前部和后部，两块差分端口铜皮7相互平行且对称设置于第三层介质板10下表面的相对前部和后部，每块馈电铜皮对应一块第一铜皮1和一块差分端口铜皮7。上述两块馈电铜皮形成平行馈线，两块差分端口铜皮7形成馈电差分对，每块差分端口铜皮7的长度大于四分之一介质波长，以实现平滑的阻抗变换，馈电差分对的起始端匹配外部雷达芯片标称的100欧姆差分端口。应当清楚，需要说明的是，第一铜皮1、馈电铜皮和差分端口铜皮7的数量还可以有其他更多可能，均可以实现本发明的技术效果。

同时，在图1-图4所示的实施例中，金属馈电探针的数量优选为两组，每组金属馈电探针连接对应的一块第一铜皮1、馈电铜皮和差分端口铜皮7，具体地，每组金属馈电探针包括第一金属馈电探针3和第二金属馈电探针6，第一金属馈电探针3穿过第一层介质板8和第二层介质板9设置，用于连接第一铜皮1和馈电铜皮，第二金属馈电探针6穿过第二层介质板9和第三层介质板10设置，用于连接馈电铜皮和差分端口铜皮7。

如图3所示，馈电铜皮呈L形，包括第一馈电铜皮4和第二馈电铜皮5，第一金属馈电探针3穿过第一层介质板8和第二层介质板9，以连接第一铜皮1和第一馈电铜皮4，第二金属馈电探针6穿过第二层介质板9和第三层介质板10，以连接第二馈电铜皮5和差分端口铜皮7。通过调整馈电铜皮的尺寸，可以使馈电铜皮与第一铜皮1、第二铜皮2，以及馈电差分对之间形成良好的阻抗匹配。

此外，本发明的第一层介质板8和/或第二层介质板9和/或第三层介质板10优选采用FR4板材，但是不限于此。

综上所述，本发明的一种低剖面的超宽带雷达差分天线，包括第一层介质板8、第二层介质板9、第三层介质板10、第一铜皮1、第二铜皮2、差分端口铜皮7和金属馈电探针，第一层介质板8上表面设置两块相互对称且平行的第一铜皮1，其上开设U形槽11，作为天线的辐射体，两块第一铜皮1通过一对第一馈电探针与第三层介质上表面的馈电铜皮相连，两条馈电铜皮形成平行馈线，通过另一对第二金属馈电探针6与第三层介质板10下表面的差分端口铜皮7相连，第三层介质板10下表面的另一端附着一块第二铜皮2作为天线的地。本发明通过调整天线各部件的结构参数，实现天线辐射体，平行馈线以及差分端口之间的宽频带阻抗匹配，并通过馈电差分对与外部雷达芯片直接连接，在三层介质板总厚度不到2mm的情况下，可以使天线获得约30％的频谱带宽，具有结构简单且拓宽天线频谱带宽的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，包括从上往下依次设置的第一层介质板(8)、第二层介质板(9)和第三层介质板(10)，所述第一层介质板(8)上表面设置于有作为天线辐射体的第一铜皮(1)，所述第三层介质上表面设置有馈电铜皮，所述第三层介质板(10)下表面设置有第二铜皮(2)和差分端口铜皮(7)，所述第一铜皮(1)、馈电铜皮和差分端口铜皮(7)通过金属馈电探针连接，所述金属馈电探针穿过第一层介质板(8)、第二层介质板(9)和第三层介质板(10)设置，所述第一铜皮(1)上开设有凹槽，所述第二铜皮(2)作为天线的地。

2.根据权利要求1所述的低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，所述凹槽为U形槽(11)，所述金属馈电探针与第一铜皮(1)相连的一端位于所述U形槽(11)的U形区域内。

3.根据权利要求1所述的低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，所述第一铜皮(1)、馈电铜皮和差分端口铜皮(7)的数量均为两块，两块第一铜皮(1)相互平行且对称设置于第一层介质板(8)的上表面，两块馈电铜皮相互平行且对称设置于第三层介质板(10)的上表面，两块差分端口铜皮(7)相互平行且对称设置于第三层介质板(10)的下表面，每块所述馈电铜皮对应一块第一铜皮(1)和一块差分端口铜皮(7)。

4.根据权利要求3所述的低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，所述金属馈电探针的数量为两组，每组金属馈电探针连接对应的一块第一铜皮(1)、馈电铜皮和差分端口铜皮(7)。

5.根据权利要求4所述的低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，每组所述金属馈电探针包括第一金属馈电探针(3)和第二金属馈电探针(6)，所述第一金属馈电探针(3)穿过第一层介质板(8)和第二层介质板(9)设置，用于连接第一铜皮(1)和馈电铜皮，所述第二金属馈电探针(6)穿过第二层介质板(9)和第三层介质板(10)设置，用于连接馈电铜皮和差分端口铜皮(7)。

6.根据权利要求5所述的低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，所述馈电铜皮呈L形，包括第一馈电铜皮(4)和第二馈电铜皮(5)，所述第一金属馈电探针(3)连接第一铜皮(1)和第一馈电铜皮(4)，所述第二金属馈电探针(6)连接第二馈电铜皮(5)和差分端口铜皮(7)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，所述第一铜皮(1)设置于第一层介质板(8)上表面的左端，所述第二铜皮(2)设置于第三层介质板(10)下表面的左端，所述差分端口铜皮(7)设置于第三层介质板(10)下表面的右端。

8.根据权利要求7所述的低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，所述第一铜皮(1)和/或所述第二铜皮(2)为矩形结构。

9.根据权利要求1所述的低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，所述差分端口铜皮(7)外形为矩形渐变线状，其长度大于四分之一介质波长。

10.根据权利要求1所述的低剖面的超宽带雷达差分天线，其特征在于，所述第一层介质板(8)和/或第二层介质板(9)和/或第三层介质板(10)采用FR4板材，所述第一层介质板(8)、第二层介质板(9)和第三层介质板(10)从上往下依次贴合设置。

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