CN202678511U - 二元阵天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种二元阵天线，包括：介质板；四个天线臂，形成于介质板的下表面，两两并排水平设置，同排的两个天线臂隔开预设距离，且左右对称，构成一组偶极子单元，两组偶极子单元上下对称；平行双线馈电结构，包括分别形成于介质板的下表面和上表面的下侧带线和上侧带线；同轴连接器，垂直设置于介质板上，其靠近介质板的第一端的内导体通过介质板中间的过孔与位于下侧带线中点处的第一焊盘相连接，第一端的外导体与位于上侧带线中点处的第二焊盘相连接；金属反射腔，用于屏蔽后向辐射，减小外界干扰。本实用新型天线尺寸小，能满足系统对探测距离和精度的要求。

Description

二元阵天线

技术领域

本实用新型涉及雷达技术雷达天线领域，尤其涉及一种用于掩蔽目标检测的雷达系统的二元阵天线。 

背景技术

近年来，掩蔽目标的探测技术在科学界和工程界倍受关注，尤其在反恐、技侦、军事、搜救、安检、医学等领域具有巨大应用价值。超宽带技术是一种能够具有良好分辨率和穿透深度的的雷达探测方法，可对隐藏在墙后的运动目标进行非入侵式探测以及成像。近年来，因其在反恐斗争和灾害救援等领域的广泛应用而倍受关注。 

我国对超宽带技术的研究始于20世纪80年代，但发展较为缓慢，研究内容多局限在理论和算法方面，工程实现基本都停留在实验室样机阶段。国内一些工程勘探部门、研究院所和大学先后从美国、加拿大等国家引进了探地雷达产品，探地雷达的引进促进了我国超宽带技术的发展。基于探地雷达基础上发展起来的各种新技术。在国内，多所科研机构在该领域进行了一些有益的探索。 

天线作为雷达系统的一个关键部件，它的功能是完成电磁波的有效辐射和接收，直接影响整个系统的性能。由于经过天线辐射的雷达波需要两次穿透介质才能被系统接收，受限于介质的衰减与散射影响，探测距离比较短，分辨率差，需要研究出具有高增益特性的天线来满足系统要求。 

目前应用于掩蔽目标检测的天线主要有阻抗加载蝶形天线、TEM喇叭天线和Vivaldi天线。虽然阻抗加载蝶形天线的平面结构有利于天线与介质的耦合，能有效地消除天线末端的二次反射。但是这种天线的辐射效率低，由于发射机产生信号的幅度有限，会影响雷达的探测距离；TEM喇叭天线和Vivaldi天线都存在天线与墙面耦合较差的问题，而且具有大的体积，不利于系统的便携式设计。 

实用新型内容

(一)要解决的技术问题 

为解决上述的一个或多个问题，本实用新型提供了一种二元阵天线，以减小天线尺寸，满足系统对探测距离和精度的要求。 

(二)技术方案 

根据本发明的一个方面，提供了一种二元阵天线，包括：介质板；四个天线臂，形成于介质板的下表面，两两并排水平设置，同排的两个天线臂隔开预设距离，且左右对称，构成一组偶极子单元，两组偶极子单元上下对称；平行双线馈电结构，包括分别形成于介质板的下表面和上表面的下侧带线和上侧带线，其中：下侧带线，其两终端与位于一列的两个天线臂的顶点相连接；上侧带线，其两终端通过金属过孔穿过介质板，与位于另一列的两个天线臂的顶点相连接；同轴连接器，垂直设置于介质板上，其靠近介质板的第一端的内导体通过介质板中间的过孔与位于下侧带线中点处的第一焊盘相连接，第一端的外导体与位于上侧带线中点处的第二焊盘相连接。 

优选地，在本发明的实施例中，天线臂呈：半圆形、三角形或类半椭圆形；同排的两个半圆形、三角形或类半椭圆形的天线臂的顶点相对。 

优选地，在本发明的实施例中，二元阵天线还包括：金属反射腔，其上下两个侧面的下边缘与介质板的边缘固定连接；同轴连接器，其远离介质板的第二端穿过该金属反射腔底部并伸出，其中部固定于金属反射腔的底部。 

优选地，在本发明的实施例中，金属反射腔为一三面腔体，该三面腔体由一底面及上下两侧面构成。 

优选地，在本发明的实施例中，金属反射腔的底面为矩形。 

优选地，在本发明的实施例中，金属反射腔的深度为二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/4。 

优选地，在本发明的实施例中，下侧带线和上侧带线关于介质板上下对称，两者的水平宽度相同。 

优选地，在本发明的实施例中，下侧带线和上侧带线中任一个的靠近 对应天线臂顶点的末端呈指数渐变展开，直至与该天线臂顶点相连接。 

优选地，在本发明的实施例中，下侧带线和上侧带线的长度为二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/2。 

优选地，在本发明的实施例中，第一焊盘的内径与同轴连接器第一端的内导体直径相同；第二焊盘的内径与同轴连接器第一端的外导体直径相同。 

优选地，在本发明的实施例中，天线臂呈类半椭圆形；类半椭圆形天线臂的轴向长度为二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/4；上下两组偶极子单元的中心距离为二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/2。 

优选地，在本发明的实施例中，介质板为环氧树脂玻璃纤维布介质板；同轴连接器为射频同轴连接器；四个天线臂及平行双线馈电结构均为通过印刷电路板工艺印制在环氧树脂玻璃纤维布介质板上的铜箔。 

(三)有益效果 

由上述技术方案可知，本实用新型二元阵天线具有以下有益效果： 

1、本实用新型二元阵天线的基本单元由两个偶极子组成的阵列组成，具有超宽带、高增益的特点，满足系统对探测距离和精度的要求； 

2、本实用新型二元阵天线中，偶极子采用半椭圆形，椭圆形状渐变的平缓性使得阻抗连续性比较好，同时有利于缩减尺寸； 

3、本实用新型二元阵天线中，金属反射腔来抑制后向辐射，满足天线使用的定向性要求； 

4、本实用新型二元阵天线的馈电方式简单，结构紧凑，对工作环境的适应能力强、操作和维护简单。 

附图说明

图1为本发明实施例二元阵天线的立体结构示意图； 

图2为本发明实施例二元阵天线中类半椭圆形天线臂及平行双线馈电结构的示意图； 

图3为本发明实施例二元阵天线中同轴连接器的示意图； 

图4为本发明实施例二元阵天线的VSWR实测曲线图； 

图5为本发明实施例二元阵天线面对面间隔1.5m时波形； 

图6为超宽带天线用于墙后动目标检测时采集的时域波形图。 

【主要元件符号说明】 

1、2-类半椭圆形天线臂；3、5-平行双线馈电结构； 

4-矩形金属反射腔；     6-同轴连接器； 

6a-同轴连接器内导体；  6b-同轴连接器外导体。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。 

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。 

在本发明的一个示例性实施例中，提出了二元阵天线。图1为本发明实施例二元阵天线的立体结构示意图。如图1所示，本发明实施例二元阵天线包括：介质板、四个类半椭圆形天线臂(1、2)、平行双线馈电结构(3、5)、同轴连接器6以及矩形金属反射腔4。以下分别对各个部分进行详细说明。 

本发明中，介质板可以为环氧树脂介质板，优选为环氧树脂玻璃纤维布介质板，其厚度介于0.5mm至3mm之间。当介质板厚度发生变化时，介质板上下面的带线宽度需要进行必要的调整。 

四个类半椭圆形天线臂形成于介质板底面。图2为本发明实施例二元阵天线中类半椭圆形天线臂及平行双线馈电结构的示意图。 

如图2所示，四个类半椭圆形天线臂两两并排水平设置。同排的两个类半椭圆形天线臂的顶点相对，且隔开预设距离，构成一组偶极子单元，两组偶极子单元上下对称。两组偶极子单元中的四个类半椭圆形天线臂分别与位于介质板上下面的平行双线馈电结构的四个终端相连，组成一个不 平衡馈电的二元阵列天线。 

其中，四个类半椭圆形天线臂中，其轴向长度优选为所述二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/4，约为5cm。上下两组偶极子单元的中心距离优选为所述二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/2。 

需要说明的是：此处类半椭圆形天线臂中的“半椭圆形”，并不一定是严格几何意义上的半椭圆形，其可以比严格几何意义上的半椭圆形相等、略小或略大，或者长轴和短轴适当变化，甚至长轴和短轴长度相等，均不影响本发明的实现。同时，该四个类半椭圆形天线臂及后续的平行双线馈电结构均为通过印刷电路板技术印制在介质板上铜膜，当然也可以为其他类型的金属膜。 

如图2所示，平行双线馈电结构，包括分别形成于所述介质板的下表面和上表面的下侧带线和上侧带线。其中：下侧带线3，其两终端与位于一列的两个类半椭圆形天线臂，即两组偶极子单元的同侧天线臂，的顶点相连接相连；上侧带线5，其两终端通过金属过孔穿过所述介质板，与位于另一列的两个类半椭圆形天线臂，即两组偶极子单元的另一侧天线臂，的顶点相连接。 

在图2中，位于类半椭圆形天线臂一侧的平行双线馈电结构为下侧带线3，其长度伴随两个偶极子单元组阵后中心距离的变化，按照在前向辐射达到最佳增益的需要调节，约为半个波长，小于两组偶极子单元的中心距离。并且，平行双线馈电结构中位于介质上下面的带线在垂直方向必须一致，水平方向宽度相同。 

图2右侧小图为平行双线馈电结构一端的放大效果图。平行双线馈电结构中在靠近天线臂的末端很小的距离时按指数渐变分开，然后平行双线的四个终端分别于四个天线臂连接。平行双线的阻抗计算近似公式如下所示： 

对于比较宽的带线

$Z_0=\frac{{\mathrm{\η}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\{\frac{w}{h}+\frac{1}{\mathrm{\π}}\ln 4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{{2\mathrm{\π\ϵ}}_r}\ln [\frac{(\frac{w}{h}+0.94)}{2}]+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{{2\mathrm{\π\ϵ}}_r}^2}\ln \frac{{\mathrm{\ϵ\π}}^2}{16}\}---\left(1\right)$ 对于比较窄的带线

$Z_0=\frac{{\mathrm{\η}}_0}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\{\ln \frac{4h}{w}+\frac{1}{8}{\left(\frac{w}{h}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2({\mathrm{\ϵ}}_r+1)}(\ln \frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\ln \frac{4}{\mathrm{\π}}}{{\mathrm{\ϵ}}_r})\}---\left(2\right)$

公式1，2中，h为介质板厚度，w为带线宽度，ε_r为介质板的相对介电常数，ε_r＝4.4，ε为自由空间的相对介电常数。在本天线设计中经过优化设计后的参数为h＝1mm，w＝0.64mm。总体而言，天线装置的三维尺寸为270*180*50mm³。 

图3为本发明实施例二元阵天线中同轴连接器的示意图。如图1及图3所示，同轴连接器垂直设置于所述介质板上，其靠近介质板的第一端的内导体6a通过介质板中间的过孔与位于所述下侧带线中点处的第一焊盘相连接，所述第一端的外导体6b与位于所述上侧带线中点处的第二焊盘相连接。 

本发明中，平行双线中点处上下焊盘的大小要和同轴连接器内外导体的直径一致，尽量少破坏馈电的平衡性，并且容易焊接操作。优选地，所述第一焊盘的内径与所述同轴连接器第一端的内导体直径相同；所述第二焊盘的内径与所述同轴连接器第一端的外导体直径相同。 

通常情况下，同轴连接器为射频同轴连接器，即SMA连接器，当然，其他类似的同轴连接器也可以应用于本发明中。 

如图1所示，矩形金属反射腔4由一个矩形背面以及上下两个侧面的金属板组成的三面腔结构，通过螺母与介质板边沿过孔固定。同轴连接器第二端伸出金属反射腔中间的通孔，通过自身法兰盘固定在金属反射腔上。所述金属反射腔的深度为所述二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/4。 

图4为本发明实施例二元阵天线的VSWR实测曲线图。如图4所示，按照VSWR＜2.5，可以看出天线在0.68GHZ-3GHZ频带范围内都能很好地满足要求，并且大部分的频率下都能保持在2以下，天线具有比较宽的频带范围。 

图5为本发明实施例二元阵天线面对面间隔1.5m时波形。如图5所 示，参照图5为两个相同天线面对面间隔1.5m测试得到的天线时域信号。天线的保真性比较好，拖尾小。图6为超宽带天线用于墙后动目标检测时采集的时域波形图，纵轴表示信号的幅度，横轴为每道回波的采样点数。其中图6A为无目标时雷达采集的背景噪声，图6B为单目标下时雷达采集的含有背景噪声的原始回波，图6C为单目标下雷达采集原始回波减去背景噪声后的目标散射信号。参照图6，设计的天线安装到穿墙雷达上采集的数据，经过简单的去噪后待检测目标很好的显示在波形上。 

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如： 

(1)天线臂的形式还可以是圆形，三角形等形式； 

(2)三面腔顶部的矩形面可以用抛物面或是圆柱面代替。 

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (12)

1.一种二元阵天线，包括：

介质板；

四个天线臂，形成于所述介质板的下表面，两两并排水平设置，同排的两个天线臂隔开预设距离，且左右对称，构成一组偶极子单元，两组偶极子单元上下对称；

平行双线馈电结构，包括分别形成于所述介质板的下表面的下侧带线和上表面的上侧带线，其中下侧带线的两终端与位于一列的两个天线臂的顶点相连接；上侧带线的两终端通过金属过孔穿过所述介质板，与位于另一列的两个天线臂的顶点相连接；

同轴连接器，垂直设置于所述介质板上，其靠近介质板的第一端的内导体通过介质板中间的过孔与位于所述下侧带线中点处的第一焊盘相连接，所述第一端的外导体与位于所述上侧带线中点处的第二焊盘相连接。

2.根据权利要求1所述的二元阵天线，其中所述天线臂呈：半圆形、三角形或类半椭圆形；

同排的两个所述半圆形、三角形或类半椭圆形的天线臂的顶点相对。

3.根据权利要求2所述的二元阵天线，还包括：金属反射腔，其上下两个侧面的下边缘与所述介质板的边缘固定连接；

所述同轴连接器，其远离所述介质板的第二端穿过该金属反射腔底部并伸出，其中部固定于所述金属反射腔的底部。

4.根据权利要求3所述的二元阵天线，其中，所述金属反射腔为一三面腔体，该三面腔体由一底面及上下两侧面构成。

5.根据权利要4所述的二元阵天线，其中，所述金属反射腔的底面为矩形。

6.根据权利要求4所述的二元阵天线，其中，所述金属反射腔的深度为所述二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/4。

7.根据权利要求2所述的二元阵天线，其中，所述下侧带线和上侧带线关于所述介质板上下对称，两者的水平宽度相同。

8.根据权利要求7所述的二元阵天线，其中，所述下侧带线和上侧带线中任一个的靠近对应天线臂顶点的末端呈指数渐变展开，直至与该天线臂顶点相连接。

9.根据权利要求7所述的二元阵天线，其中，所述下侧带线和上侧带线的长度为所述二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/2。

10.根据权利要求7所述的二元阵天线，其中：所述第一焊盘的内径与所述同轴连接器第一端的内导体直径相同；所述第二焊盘的内径与所述同轴连接器第一端的外导体直径相同。

11.根据权利要求2所述的二元阵天线，其中，所述天线臂呈类半椭圆形；

所述类半椭圆形天线臂的轴向长度为所述二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/4；上下两组偶极子单元的中心距离为所述二元阵天线中心频率对应的自由空间波长的1/2。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的二元阵天线，其中，

所述介质板为环氧树脂玻璃纤维布介质板；

所述同轴连接器为射频同轴连接器；

所述四个天线臂及平行双线馈电结构均为通过印刷电路板工艺印制在环氧树脂玻璃纤维布介质板上的铜箔。

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