CN113328249A - 一种超宽带探测目标信息的天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带探测目标信息的天线系统，包括底层的金属层、中层介质基底结构及设置在中层介质基底结构上表面的金属结构和器件，所述金属结构包括第一金属环及第二金属环，所述器件包括电池、开关、放大器以及三个不同容值的滤波电容；所述底层的金属层包括L形金属条和两个π形结构，其中，L形金属条上设置有两个方形凸块，两个π形结构的凹槽分别正对两个方形凸块；本发明能够在较宽的工作频带内实现增强RCS，在一个有限的空间中很好地实现接收天线与发射天线之间的去耦。

Description

一种超宽带探测目标信息的天线系统
技术领域
本发明属于探测目标信息的天线系统的技术领域，具体涉及一种超宽带探测目标信息的天线系统。
背景技术
随着移动通信系统的快速发展，对隔离度的需求越来越大。近年来，有人提出用多个频率传送同一信息，但是对于同频段的发射机雷达和接收机雷达该方式难以满足。目前，同频段天线之间的去耦方式大体可以归结为以下三种。第一种是将发射天线和接收天线的距离设置得足够远。第二种是在天线之间加入可以用来中和、抵消电流或电磁场的结构，例如去耦表面结构以及中和线结构。第三种是在天线之间加入特殊的结构，例如频率选择表面结构、缺陷地结构和电磁带隙结构等，这些结构可以抑制天线之间的电磁波或者电流，从而实现去耦。在天线系统的应用中，通常对于空间大小的设置都是有要求的。对于小型化天线系统而言，以上三种方式不再适用。因此，如何在有限的距离范围内完成天线之间的去耦，就成为了研究MIMO天线技术的关键问题。
另外，当探测目标截面积很小、距离很远时，很难探测到目标信息，此时需要将目标信息进行放大，增强雷达截面积(Radar Cross Section,RCS)。
此外，大多数探测目标信息的天线系统的应用场景要求大带宽，这种要求就限制了传统探测目标信息的天线系统的使用，例如环天线结构。
有必要开发一种新的超宽带探测目标信息的天线系统，可以实现同频段下发射天线和接收天线隔离效果好以及RCS增强、宽频带的特性，同时保证探测目标信息的天线系统本身的小型化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种超宽带探测目标信息的天线系统，能够在较宽的工作频带内实现增强RCS，在一个有限的空间中很好地实现接收天线与发射天线之间的去耦。
实现本发明的技术方案如下：
一种超宽带探测目标信息的天线系统，包括底层的金属层、中层介质基底结构及设置在中层介质基底结构上表面的金属结构和器件，所述金属结构包括第一金属环及第二金属环，所述器件包括电池、开关、放大器以及三个不同容值的滤波电容；
所述底层的金属层包括L形金属条和两个π形结构，其中，L形金属条上设置有两个方形凸块，两个π形结构的凹槽分别正对两个方形凸块；
所述第一金属环接放大器的射频输入管脚，第二金属环接放大器的射频输出管脚，电池的负极接地，电池的正极接开关，开关的另一端接不同容值的滤波电容，滤波电容的另一端接地，经滤波电容过滤后开关接放大器的有源输入管脚；
第一金属环及第二金属环均为矩形金属环结构，第一金属环和第二金属环的长边所在的直线呈垂直关系，且第一金属环的一条长边恰好处于一个π形结构水平线的正上方，第二金属环的一条长边恰好处于另一个π形结构水平线的正上方；所述的第一金属环和第二金属环内部均设置有两个T形金属条，所述两个T形金属条的纵向边分别垂直于金属环的两个短边。
进一步地，所述的中层介质基底结构采用介电常数为4.4且损耗正切值为0.02的FR4环氧玻璃布层压板材料制成。
进一步地，所述底层的金属层和中层介质基底结构上表面的金属结构采用导电性金属材料制成。
进一步地，所述导电性金属材料为铜或铝。
进一步地，所述的第一金属环、第二金属环及T形金属条的线宽0.3mm，第一金属环的长度为6.5mm，宽度为4mm，第二金属环的长度为4.5mm，宽度为4mm，第一金属环内部T形金属条的横向边长度为3.4mm，纵向边长度为0.3mm，第二金属环内部T形金属条的横向边长度为3.4mm，纵向边长度为0.3mm，第一金属环与第二金属环之间的垂直距离为9.75mm。
有益效果：
1、本发明天线系统可以降低极化干扰，实现同频段下发射天线和接收天线隔离效果好，同时保证结构本身体积小、重量轻。
2、本发明天线系统还可以增强RCS，实现超宽带探测小目标信息、远距离探测目标信息的特性。
附图说明
图1为本发明的超宽带探测目标信息的天线系统的结构图。
图2为本发明的中层介质基底结构上、下表面的结构的尺寸图，(a)为上表面结构尺寸图，(b)为下表面结构尺寸图。
图3为本发明的超宽带探测目标信息的天线系统的反射系数的频率响应特性图。
其中，1-L形金属条结构，2-第一方形凸块结构，3-第二方形凸块结构，4-第一π形结构，5-第二π形结构，6-介质基底结构，7-第一金属环，8-第二金属环，9-放大器，10-电池，11-开关，12-100pF的滤波电容，13-1000pF的滤波电容，14-0.33μF的滤波电容。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
图1为本发明的超宽带探测目标信息的天线系统的结构图，该探测目标信息的天线系统由三层组成，底层的金属层结构为L形金属条结构1结合第一方形凸块结构2、第二方形凸块结构3以及第一π形结构4、第二π形结构5。中层是边长a为20mm，厚度t为0.254mm的介质基底结构6。中层介质板基底的上表面镀有不同长度和宽度的金属环7和8，与放大器9射频输入端、射频输出端相连的线的宽度为0.2mm，中层介质板基底的上表面还设置有电池10、开关11、滤波电容12、13、14以及放大器9。
本发明的超宽带探测目标信息的天线系统，包括结合了含方形凸块结构的L形金属条结构1以及π形结构的底层金属层结构、中层介质基底结构6及设置在中层介质基底结构6上表面的金属结构和器件，接通开关11，电池10为放大器9供电，容值不同的滤波电容12、13、14可以滤除电源中不同频率的交流分量，使电路稳定工作，放大器9用于放大第一金属环7接收到的信号，将该信号传输出给第二金属环8，第二金属环8将该信号发射出去，共同构成超宽带探测目标信息的天线系统。
中层介质基底结构6的上表面和下表面均为金属结构，中层介质基底结构6的上表面的金属结构包含第一金属环7以及第二金属环8，中层介质基底结构6的下表面金属结构由L形金属条结构1、方形凸块结构2、3以及π形结构4、5组成，第一金属环7和第二金属环8分别接放大器9的射频输入端和射频输出端。所述的金属材料为铜或铝。
中层介质基底结构6采用介电常数为4.4，损耗正切值为0.02的FR4环氧玻璃布层压板材料制成。
图2(a)(b)分别为介质基底6上、下表面的结构的尺寸图，介质板基底的上表面镀有不同长度和宽度的第一金属环7和第二金属环8，第一金属环7与第二金属环8之间的垂直距离d＝9.75mm，开关与放大器之间设置的三个滤波电容端面之间的距离均为d1＝0.5mm，容值分别为100pF，1000pF，0.33μF。与放大器9射频输入端、射频输出端相连的线的宽度为0.2mm，中层介质板基底的上表面还设置有电池10、开关11、滤波电容12、13、14以及放大器9。电池直径为4.8mm，高度为1.4mm，标称电压为3V，开关长度为2.6mm，宽度为1.6mm，高度为0.5mm，放大器长度为3mm，宽度为3mm，高度为0.9mm。底层金属层L形金属条结构1纵向垂直线的长l1为20mm，宽w1为7.5mm，水平线的长l8为3mm，宽w8为6mm，第一方形凸块结构2的长l2为1mm，宽w2为0.9mm,第二方形凸块结构3的长l3为0.9mm，宽w3为0.5mm,第一π形结构4的水平线长度l4为6.5mm，宽w4为0.3mm,纵向垂直线长度l5为1.3mm，宽w5为1mm，两纵向垂直线之间的距离为d2＝2mm，第二π形结构5的水平线长度l6为4.5mm，宽w6为0.3mm,纵向垂直线长度l7为0.6mm，宽w7为0.6mm，两纵向垂直线之间的距离为d3＝2mm。
如图3为本发明超宽带探测目标信息的天线系统的反射系数的频率响应特性图，其中，S11低于-10dB的频段是接收天线的工作频率；S22低于-10dB的频段是发射天线的工作频率；S21表示的是隔离度，S21越小，隔离效果越好。该天线系统的工作原理如下：第一金属环7接收到目标的信息，通过低噪放放大该接收信号，将该信号通过第二金属环8发射出去，从而完成小目标信息的远距离探测。采用极化隔离的方式，利用电磁波的正交性，将天线的两个互相正交的辐射场极化放在一起，从而获得接收天线与发射天线之间良好的去耦效果。利用带有凸出结构和π型结构的接地板，提高天线的增益，增加金属环的多模谐振，构造多个吸收峰，并通过调整参数使得多个吸收峰相互协作形成较宽的频带。接收天线接地板的第一方形凸块结构2主要影响f1这个反射零点，接收天线接地板的第一π形结构4主要影响f2这个反射零点，发射天线接地板的第二π形结构5主要影响f3这个反射零点，发射天线接地板的第二方形凸块结构3主要影响f4这个反射零点。通过控制凸出结构和π形结构的长度和宽度，接收天线的两个谐振模分别位于f1＝15.86GHz和f2＝18.72GHz处，发射天线的两个谐振模分别位于f3＝12.89GHz和f4＝17.05GHz处，从而得到一个超宽带探测目标信息的天线系统。
本发明的超宽带探测目标信息的天线系统实际测试性能如下：
当接收天线工作频率为14.28GHz～19.43GHz，发射天线工作频率为12.12GHz～13.65GHz、15.52GHz～18.27GHz时，接收天线频带带宽为5.15GHz，相对带宽为30.6％，发射天线两个频带的相对带宽分别为19.6％、16.28％。接收天线及发射天线的尺寸均较小，较好地满足了放置在鸟身上的实际应用场景。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：利用简单的结构，即加了方形凸出结构和π形结构的矩形结构接地板上的多模谐振，构造出超宽的工作频带，接收天线的相对带宽达到30.6％，发射天线的相对带宽分别达到19.6％、16.28％，有效地提高天线的增益。另外，通过简单的调节结构的尺寸，能调整该天线系统的工作频带及带宽，同时，通过采用极化隔离的方式，使接收天线与发射天线之间达到较好的去耦效果，此外，本发明将接收到的信号通过放大器放大再发射出去，实现了较大的雷达截面积(RCS达到10dB以上)，可探测目标可以更小，且可探测距离更远。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (5)

1.一种超宽带探测目标信息的天线系统，其特征在于，包括底层的金属层、中层介质基底结构及设置在中层介质基底结构上表面的金属结构和器件，所述金属结构包括第一金属环及第二金属环，所述器件包括电池、开关、放大器以及三个不同容值的滤波电容；
所述底层的金属层包括L形金属条和两个π形结构，其中，L形金属条上设置有两个方形凸块，两个π形结构的凹槽分别正对两个方形凸块；
所述第一金属环接放大器的射频输入管脚，第二金属环接放大器的射频输出管脚，电池的负极接地，电池的正极接开关，开关的另一端接不同容值的滤波电容，滤波电容的另一端接地，经滤波电容过滤后开关接放大器的有源输入管脚；
第一金属环及第二金属环均为矩形金属环结构，第一金属环和第二金属环的长边所在的直线呈垂直关系，且第一金属环的一条长边恰好处于一个π形结构水平线的正上方，第二金属环的一条长边恰好处于另一个π形结构水平线的正上方；所述的第一金属环和第二金属环内部均设置有两个T形金属条，所述两个T形金属条的纵向边分别垂直于金属环的两个短边。
2.如权利要求1所述的一种超宽带探测目标信息的天线系统，其特征在于，所述的中层介质基底结构采用介电常数为4.4且损耗正切值为0.02的FR4环氧玻璃布层压板材料制成。
3.如权利要求1所述的一种超宽带探测目标信息的天线系统，其特征在于，所述底层的金属层和中层介质基底结构上表面的金属结构采用导电性金属材料制成。
4.如权利要求3所述的一种超宽带探测目标信息的天线系统，其特征在于，所述导电性金属材料为铜或铝。
5.如权利要求1所述的一种超宽带探测目标信息的天线系统，其特征在于，所述的第一金属环、第二金属环及T形金属条的线宽0.3mm，第一金属环的长度为6.5mm，宽度为4mm，第二金属环的长度为4.5mm，宽度为4mm，第一金属环内部T形金属条的横向边长度为3.4mm，纵向边长度为0.3mm，第二金属环内部T形金属条的横向边长度为3.4mm，纵向边长度为0.3mm，第一金属环与第二金属环之间的垂直距离为9.75mm。
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