CN203883121U - 蝶形雷达天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种蝶形雷达天线。该蝶形雷达天线包括：金属腔体，其前端开口，后端形成一背腔，绝缘介质板，固定于金属腔体5的前端开口处；天线本体，由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质板3的正面，包括呈对称蝶形的第一个天线臂和第二个天线臂；以及金属条带组，包括：呈平面状形成于绝缘介质板的正面的第一金属条带和第二金属条带，分别位于第一个天线臂和第二个天线臂底边的外侧；其中，两条金属条带顶边的两端分别通过电阻电性连接至相应天线臂底边的相应端，其底边电性连接至金属腔体。本实用新型蝶形雷达天线的基本单元由一个对称蝶形偶极子组成，末端采用电阻加载，具有超宽带的特点，满足系统对穿墙探测分辨率要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子行业雷达技术领域，尤其涉及一种蝶形雷达天线。
背景技术
穿墙成像雷达可对墙内掩蔽目标进行非侵入式探测，尤其随着超宽带雷达技术的飞速发展，高分辨、远距离、便携式穿墙成像雷达的实现逐步成为可能。国内的一些工程勘探部门、研究院所和大学先后对超宽带雷达技术展开研究，并先后引进美国、加拿大等国家的超宽带雷达产品，取得了长足进步。由于我国对超宽带穿墙成像雷达技术的研究起步较晚，偏重与理论研究，所以加快发展超宽带穿墙成像雷达的研制和产品化，对人质救援、反恐维稳等有着重要的应用价值和现实意义。
天线作为超宽带穿墙成像雷达系统的一个子系统，负责将电信号转换成电磁波有效辐射，也需要将来自目标的回波转换成电信号传递给雷达接收机的采样系统。针对时域脉冲体制的超宽带穿墙成像雷达，天线的性能不仅体现在频域特性上，同时也体现在时域特性上。天线的时域特性的优劣，直接影响雷达系统的探测性能。由于墙体的色散作用、多散射体的干扰、目标的雷达散射截面等限制，要求天线具有方向性好、超宽带等特性，同时还需要天线辐射的信号拖尾少、振荡小。
目前应用于穿墙生命目标检测的天线有阻抗加载蝶形天线、TEM喇叭天线和Vivaldi天线。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。阻抗加载蝶形天线的辐射效率一般较差，只有通过提高发射机的脉冲幅度来解决。TEM喇叭天线和Vivaldi天线增益较高，方向性较好，但在一定程度上都存在天线与墙面耦合不太好的问题，而且一般体积较大，不利于系统的便携式设计。综合平衡穿墙成像雷达的应用场合和性能要求，可以选择其中一种或多种天线。
然而，目前的阻抗加载蝶形天线的时域特性和阻抗带宽仍需进一步改善，穿墙成像雷达的距离分辨率也需要进一步提高。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种具有较高探测分辨率的蝶形雷达天线。
(二)技术方案
本实用新型蝶形雷达天线包括：金属腔体5，其前端开口，后端形成一背腔，绝缘介质板3，固定于金属腔体5的前端开口处；天线本体，由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质板3的正面，包括呈对称蝶形的第一个天线臂21和第二个天线臂22，两天线臂整体上均呈上下对称的等腰三角形形状，且该两天线臂的顶端相对并隔开第一预设距离；以及金属条带组，包括：第一金属条带11和第二金属条带12；两金属条带均由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质板3的正面，分别位于第一个天线臂21和第二个天线臂22底边的外侧；该两金属条带均呈梯形，其顶边与相应天线臂的底边平行并隔开第二预设距离，其底边与其顶边平行，其两斜边位于相应天线臂斜边的延长线上；其中，两条金属条带顶边的两端分别通过电阻电性连接至相应天线臂底边的相应端，其底边电性连接至金属腔体5。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本实用新型蝶形雷达天线具有以下有益效果：
(1)蝶形天线的基本单元由一个对称蝶形偶极子组成，末端采用电阻加载，具有超宽带的特点，满足系统对穿墙探测分辨率要求；
(2)金属背腔可以屏蔽外界电磁干扰，增加辐射方向性，满足穿墙生命探测雷达天线的定向性要求；
(3)金属背腔和天线介质板等材质密度较小，总体重量轻，同时天线馈电方式简单，有利于穿墙成像雷达产品化。
附图说明
图1为本实用新型实施例蝶形雷达天线的主视立体结构示意图；
图2为本实用新型实施例蝶形雷达天线中后视立体结构示意图；
图3为本实用新型实施例蝶形雷达天线的S参数仿真曲线图。
【主要元件符号说明】
11-第一金属条带； 12-第二金属条带；
21-第一个天线臂； 22-第二个天线臂；
3-绝缘介质板； 4-碳膜电阻；
5-金属腔体； 6-阻抗变换器；
7-同轴连接器； 8-金属封装盒。
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。附图中未绘示或描述的实现方式，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。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。
本实用新型蝶形雷达天线的基本单元由一个对称蝶形偶极子组成，末端采用电阻加载，具有超宽带的特点，满足系统对穿墙探测分辨率要求
在本实用新型的一个示例性实施例中，提出了一种穿墙成像雷达蝶形超宽带天线，该天线的工作中心频率为800MHz。图1为本实用新型实施例蝶形雷达天线的立体结构示意图。如图1所示，本实施例蝶形雷达天线包括：
金属腔体5，其前端开口，后端形成一背腔，
绝缘介质板3，固定于金属腔体5的前端开口处，与背腔的底面平行；
天线本体，由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质板3的正面，包括呈对称蝶形的第一个天线臂21和第二个天线臂22，两天线臂整体上均呈上下对称的等腰三角形，且该两天线臂的顶角相对并隔开第一预设距离；
金属条带组，包括：第一金属条带11和第二金属条带12；两条金属条带均由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质板3的正面，分别位于第一个天线臂和第二个天线臂底边的外侧，该两金属条带均呈梯形，其顶边与相应天线臂的底边平行并隔开第二预设距离，其底边与其顶边平行，其两斜边位于相应天线臂斜边的延长线上；
其中，金属条带顶边的两端分别通过碳膜电阻电性连接至相应天线臂底边的相应端，其底边电性连接至金属腔体5。
本实施例中，第一个天线臂和第二个天线臂构成对称蝶形偶极子，天线臂末端采用电阻加载，具有超宽带的特点，满足系统对穿墙探测分辨率要求。
以下对本实施例蝶形雷达天线的各个组成部分进行详细说明。
本实施例中，金属腔体5由厚度为1mm的铝合金材料制成。该金属腔体5的后端形成底壁为平面的一背腔。该背腔的底面与绝缘介质板5平行，并间接与天线本体2的两个天线臂平行，其厚度H为天线中心频率对应的自由空间波长的0.315倍。该背腔可以屏蔽后向辐射和外界干扰，并增强天线辐射方向性。
绝缘介质板3固定于金属腔体5的前端开口处，其尺寸略大于天线本体2和金属条带1的尺寸。绝缘介质板3为环氧树脂玻璃纤维布介质板，其厚度介于1.5mm，其长度和宽度由天线本体和金属条带的尺寸确定。
该绝缘介质板3一方面作为天线的载体，另一方向起着固定天线和金属背腔的作用。
两个金属材质的天线臂(21、22)形成于绝缘介质板3表面，其材质为金属，优先为黄铜。两天线臂为对称设置，构成一对偶极子单元，第一个天线臂21和第二个天线臂22在顶点处削掉一小块三角形区域，形成与底边平行的一边，并且两天线臂在天线中轴线处隔开约为2毫米，便于馈电。天线臂的长度A为天线工作中心频率对应的自由空间波长λ的1/4，宽度B为天线工作中心频率对应的自由空间波长λ的0.373倍。
两天线臂在顶点处削掉的三角形区域的高度约为5mm～10mm。与纯三角形天线臂相比，形成的相互对称的类三角形天线臂，其可优化天线的阻抗带宽。此外，两天线臂在天线中轴线处隔开的距离介于1mm～10mm之间，本领域技术人员可以根据需要进行合理设计。
如图1所示，第一金属条带11和第二金属条带12呈平面状形成于绝缘介质板3的正面，分别位于第一个天线臂和第二个天线臂底边的外侧。金属条带末端与相应天线臂的边缘趋势保持一致，形成梯形。两金属条带梯形的长边与金属腔体相连。其中，金属条带的宽度C介于5mm～20mm之间。
在金属条带梯形的短边末端，为加载电阻的位置。金属条带与天线臂之间的间隔，以方便焊接电阻为前提，同时要注意间隔不能过大，此处选为10mm。
本实施例中，绝缘介质板为PCB板，即环氧树脂玻璃纤维布介质板，而天线本体、第一金属条带、第二金属条带等均为通过印刷电路板工艺印制在所述环氧树脂玻璃纤维布介质板上的铜箔。
碳膜电阻4，优选承受功率为四分之一瓦的碳膜电阻。在本实施例中，电阻数量为4个，每个电阻阻值均相同，为220Ω。电阻加载的位置，为天线臂末端靠近顶角处。实际天线制作中，阻值可以有10Ω的浮动，电阻的数量也可以增加。
图2为本实用新型实施例蝶形雷达天线中后视立体结构示意图。如图2所示，本实施例蝶形雷达天线还包括：阻抗变换器6，固定于所述结缘介质板(3)的背面，第一个天线臂(21)和第二个电线臂顶端相对的位置，其平衡输出端分别与两个天线臂馈电处焊接；金属封装盒8，固定于绝缘介质板3和背腔底部之间，用于固定阻抗变化器，同时有接地作用；同轴连接器7，引脚端与阻抗变换器的不平衡端焊接，另一端伸出金属封装盒并与雷达发射接收模块连接。
阻抗变换器6的阻抗变换比为1∶4。在实际产品PCB板加工时，可以在天线中轴处放置过孔，天线的馈电点处也可放置焊盘，方便阻抗变换器平衡输出端与馈电点焊接。为避免破坏馈电平衡性，焊盘大小应对称一致。
金属封装盒8的长宽分别为8毫米和6毫米，高度为介质板到金属背腔顶面的距离，可用厚度约为1毫米的铝合金加工而成。同轴连接器7可以在市场上买到相应的产品，本领域技术人员可以根据需要合理选择，此处不再详细说明。
图3为本实用新型实施例蝶形超宽带天线的S11仿真试验曲线图。如图4所示，在频带为0.4GHz～1.5GHz内，S11＜-10dB，可知天线的相对带宽远超过100％，可以满足穿墙成像雷达系统的分辨率要求。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型蝶形雷达天线有了清楚的认识。
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)天线加工材质还可以是其他金属，例如：铝、金、锡等材料；
(2)金属背腔顶部的矩形面可以用抛物面或其它形式代替；
(3)除了碳膜电阻之外，还可以采用其他类型的电阻，如贴片电阻等；
(4)上述实施例以穿墙成像雷达为例进行说明，而本实用新型蝶形雷达天线还可以应用于其他需要高分辨率的领域。
综上所述，本实用新型天线尺寸较小，具有超宽带、端口阻抗匹配良好、馈电方式简单等特点，能满足穿墙成像雷达系统的分辨率要求，同时也便于产业化加工。
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 (10)
1.一种蝶形雷达天线，其特征在于，包括：
金属腔体(5)，其前端开口，后端形成一背腔，
绝缘介质板(3)，固定于所述金属腔体(5)的前端开口处；
天线本体，由金属材料制备，呈平面状形成于所述绝缘介质板(3)的正面，包括呈对称蝶形的第一个天线臂(21)和第二个天线臂(22)，两天线臂整体上均呈上下对称的等腰三角形形状，且该两天线臂的顶端相对并隔开第一预设距离；以及
金属条带组，包括：第一金属条带(11)和第二金属条带(12)；两金属条带均由金属材料制备，呈平面状形成于所述绝缘介质板(3)的正面，分别位于第一个天线臂(21)和第二个天线臂(22)底边的外侧；该两金属条带均呈梯形，其顶边与相应天线臂的底边平行并隔开第二预设距离，其底边与其顶边平行，其两斜边位于相应天线臂斜边的延长线上；
其中，所述两条金属条带顶边的两端分别通过电阻电性连接至相应天线臂底边的相应端，其底边电性连接至所述金属腔体(5)。
2.根据权利要求1所述的蝶形雷达天线，其特征在于，对于所述第一个天线臂(21)和第二个天线臂(22)，其长度A和宽度B满足：
A＝λ/4；B＝0.373λ
其中，λ为天线工作中心频率对应的自由空间波长。
3.根据权利要求1所述的蝶形雷达天线，其特征在于，所述第一个天线臂(21)和第二个天线臂(22)的顶端隔开的第一预设距离介于1mm～10mm之间。
4.根据权利要求1所述的蝶形雷达天线，其特征在于，所述第一个天线臂(21)和第二个天线臂(22)的顶端均削掉一三角形区域，形成与底边平行的一边，该三角形区域的高度介于5mm～10mm之间。
5.根据权利要求1所述的蝶形雷达天线，其特征在于，两金属条带的宽度C介于5mm～20mm之间，其与相应天线臂的间隔为10mm。
6.根据权利要求1所述的蝶形雷达天线，其特征在于，两金属条带顶边的两端与相应天线臂底边的两端通过碳膜电阻电性连接，该碳膜电阻 的阻值介于210Ω～230Ω之间。
7.根据权利要求1所述的蝶形雷达天线，其特征在于：
所述背腔的底壁为平面；
所述绝缘介质板(3)与所述背腔的底壁平行；
所述背腔的厚度H为天线中心频率对应的自由空间波长λ的0.315倍。
8.根据权利要求1所述的蝶形雷达天线，其特征在于，所述天线本体和金属条带组的材料为铜、金、铝或锡。
9.根据权利要求8所述的蝶形雷达天线，其特征在于，
所述绝缘介质板(3)为环氧树脂玻璃纤维布介质板；
所述天线本体及金属条带组为通过印刷电路板工艺印制在所述环氧树脂玻璃纤维布介质板上的铜箔。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的蝶形雷达天线，其特征在于，还包括：
阻抗变换器(6)，固定于所述绝缘介质板(3)的背面，第一个天线臂(21)和第二个电线臂顶端相对的位置，其平衡输出端分别与两天线臂馈电处焊接；
金属封装盒(8)，固定于所述绝缘介质板(3)和背腔底部之间，所述阻抗变化器(6)的外围；以及
同轴连接器(7)，其引脚端与所述阻抗变换器(6)的不平衡端焊接，另一端伸出所述金属封装盒(8)并与雷达发射接收模块连接。
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