CN205646129U - 车载超宽带离散式加载半椭圆天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种车载超宽带离散式加载半椭圆天线，发射天线单元和接收天线单元分别由两个完全相同的半椭圆天线臂组成，半椭圆天线臂两两并列对应安装于由挡板平均分隔开的反射腔内，同列的两个半椭圆天线臂对称地印制于绝缘介质板的正面构成一组超宽带偶极子天线，邻近间隔的两个半椭圆天线臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，半椭圆天线臂上沿长半轴方向均布有多条缝隙，每条缝隙内均匀焊接有多个离散式加载电阻，半椭圆天线臂的底侧两端分别通过连接电阻与金属带连接，反射腔的开口面与绝缘介质板的边缘通过螺母固定。本实用新型工作带宽大、时域辐射特性好、结构紧凑、天线反射腔高度低且易于雷达小型化，能够满足车载超宽带探测雷达系统的工程需求。

Description

车载超宽带离散式加载半椭圆天线

技术领域

本实用新型属于超宽带天线技术领域，具体涉及一种车载超宽带离散式加载半椭圆天线。

背景技术

天线作为辐射和接收电磁波的部件，是雷达系统中必不可少的关键部分，它直接影响着雷达系统的探测分辨率、定位精度以及目标识别能力。没有天线就不可能建立起任何雷达系统。一般来讲，超宽带探测雷达天线系统应该直接放置在地面上或安装在近地面附近，其电磁特性很容易受到近地面环境的影响，过高的离地高度会降低天线与地下介质的耦合，增加自由空间损耗。在车载超宽带探测雷达系统中，天线安装在探测车上，由于经过发射天线辐射的电磁波需两次穿透媒质才能被接收天线接收，受限于媒质散射干扰与衰减的影响，天线探测距离较短，分辨率差，因此要求天线具有良好的时域保真性、超带宽特性、高增益和小体积轻量化，并且要尽量减少天线形状对探测车的影响。

目前，超宽带探测雷达常用的天线形式主要有TEM喇叭天线、Vivaldi天线和偶极子天线。对于探地雷达和穿墙雷达等脉冲探测雷达来说，为了良好地与介质耦合，获得更好的探测效果，在工作过程中，要求天线尽量靠近地面或墙体，因此TEM喇叭天线和Vivaldi天线等常用的空气耦合天线并不适合应用在此类雷达系统中，并且TEM喇叭天线和Vivaldi天线尺寸也比较大，不利于车载以及系统的集成化，所以具有平面偶极子形式的天线对车载超宽带雷达系统是比较合理的选择。

发明内容

本实用新型解决的技术问题是提供了一种频带宽、时域辐射特性好、增益高且易于安装的车载超宽带离散式加载半椭圆天线。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，车载超宽带离散式加载半椭圆天线，其特征在于包括发射天线单元、接收天线单元、绝缘介质板、反射腔、离散式加载电阻、金属带和连接电阻，其中发射天线单元和接收天线单元分别由两个完全相同的半椭圆天线臂组成，半椭圆天线臂两两并列对应安装于由挡板平均分隔开的反射腔内，同列的两个半椭圆天线臂对称地印制于绝缘介质板的正面构成一组超宽带偶极子天线，同列的两个半椭圆天线臂的长半轴方向与挡板平行并且在同列的两个半椭圆天线臂之间设有间隔，邻近间隔的两个半椭圆天线臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，半椭圆天线臂上沿长半轴方向均布有多条缝隙，每条缝隙内均匀焊接有多个离散式加载电阻，半椭圆天线臂的底侧两端分别通过连接电阻与金属带连接构成加载回路，反射腔为具有一开口面的矩形金属腔体，该反射腔的开口面与绝缘介质板的边缘通过螺母固定。

进一步优选，所述半椭圆天线臂的长半轴长度为166mm，短轴长度为120mm，半椭圆天线臂的每条缝隙内离散式加载电阻的总阻值按照Wu-king加载计算公式得出，具体如下：

$\begin{array}{cc}{R}_i=\frac{60\mathrm{\ψ}\left(z_i\right)}{L-\left|z_i\right|}& (\mathrm{\Ω}/m)\end{array}$

$\mathrm{\ψ}\left(z_i\right)=\frac{{\∫}_0^L(L-z^{\′})e^{-{\mathrm{jk}}_0{z}^{\′}}(e^{-{\mathrm{jk}}_0{D}_1}/D_1+e^{-{\mathrm{jk}}_0{D}_2}/D_2){\mathrm{dz}}^{\′}}{(L-|z_i\left|\right)e^{-{\mathrm{jk}}_0\left|z_i\right|}}$

$D_1={\[{(z_i+z^{\′})}^2+a^2\]}^{\frac{1}{2}}$

$D_2={\[{(z_i-z^{\′})}^2+a^2\]}^{\frac{1}{2}}$

其中R_i为第i条缝隙内的加载电阻总阻值，L为半椭圆天线臂的长半轴长度，z_i为半椭圆天线臂馈电端与离散式加载电阻所在缝隙的垂直距离，k₀为自由空间波数，a为杆状天线的半径，Wu-king加载主要应用于杆状天线中，因此在计算设计过程中基于面积相同做了两次等效变换，首先在长半轴相同情况下将半椭圆偶极子天线等效为一个矩形，然后在侧面积相等的条件下将矩形等效为杆状。

进一步优选，所述半椭圆天线臂上沿长半轴方向均布有6条缝隙，通过在这些缝隙上焊接贴片电阻R_i实现加载，经过计算和优化并考虑到实际电阻值分布情况，所述每条缝隙内加载电阻R_i由5个均匀焊接的并行电阻组成，从半椭圆天线臂的馈电端开始缝隙内离散式加载电阻的阻值依次为50Ω、60Ω、75Ω、100Ω、130Ω和220Ω，同列的两个半椭圆天线臂之间间隔的距离为4mm，连接电阻的阻值为300Ω。

进一步优选，所述绝缘介质板为单面覆铜的环氧树脂玻璃纤维布介质板，其介电常数为4.4，长度为336mm，宽度为300mm，厚度为0.5-2mm。

进一步优选，所述反射腔为铝制矩形腔体，其高度为天线中心频率对应的自由空间波长的1/25，长度为360mm，宽度为300mm。

本实用新型安装于探测车底部，具有工作带宽大、时域辐射特性好、结构紧凑、天线反射腔高度低和易于雷达小型化的特点，能够满足车载超宽带探测雷达系统的工程需求。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的输入阻抗曲线；

图3是本实用新型的隔离度曲线；

图4是本实用新型正下方1m位置处时域辐射波形曲线。

图中：1、发射天线单元，2、接收天线单元，3、绝缘介质板，4、反射腔，5、离散式加载电阻，6、金属带，7、连接电阻。

具体实施方式

结合附图详细描述本实用新型的具体内容。如图1所示，车载超宽带离散式加载半椭圆天线，包括发射天线单元1、接收天线单元2、绝缘介质板3、反射腔4、离散式加载电阻5、金属带6和连接电阻7，其中发射天线单元1和接收天线单元2分别由两个完全相同的半椭圆天线臂组成，半椭圆天线臂两两并列对应安装于由挡板平均分隔开的反射腔4内，同列的两个半椭圆天线臂对称地印制于绝缘介质板3的正面构成一组超宽带偶极子天线，同列的两个半椭圆天线臂的长半轴方向与挡板平行并且在同列的两个半椭圆天线臂之间设有间隔，邻近间隔的两个半椭圆天线臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，半椭圆天线臂上沿长半轴方向均布有多条缝隙，每条缝隙内均匀焊接有多个离散式加载电阻5，可以有效减小天线末端的电流反射，抑制脉冲拖尾，半椭圆天线臂的底侧两端分别通过连接电阻7与金属带6连接构成加载回路，反射腔4为具有一开口面的矩形金属腔体，该反射腔4的开口面与绝缘介质板3的边缘通过螺母固定。

所述半椭圆天线臂的长半轴长度为166mm，短轴长度为120mm，半椭圆天线臂的每条缝隙内离散式加载电阻5的总阻值按照Wu-king加载计算公式得出，具体如下：

$\begin{array}{cc}{R}_i=\frac{60\mathrm{\ψ}\left(z_i\right)}{L-\left|z_i\right|}& (\mathrm{\Ω}/m)\end{array}$

$\mathrm{\ψ}\left(z_i\right)=\frac{{\∫}_0^L(L-z^{\′})e^{-{\mathrm{jk}}_0{z}^{\′}}(e^{-{\mathrm{jk}}_0{D}_1}/D_1+e^{-{\mathrm{jk}}_0{D}_2}/D_2){\mathrm{dz}}^{\′}}{(L-|z_i\left|\right)e^{-{\mathrm{jk}}_0\left|z_i\right|}}$

$D_1={\[{(z_i+z^{\′})}^2+a^2\]}^{\frac{1}{2}}$

$D_2={\[{(z_i-z^{\′})}^2+a^2\]}^{\frac{1}{2}}$

其中R_i为第i条缝隙内的加载电阻总阻值，L为半椭圆天线臂的长半轴长度，z_i为半椭圆天线臂馈电端与离散式加载电阻5所在缝隙的垂直距离，k₀为自由空间波数，a为杆状天线的半径。Wu-king加载主要应用于杆状天线中，因此在计算设计过程中基于面积相同做了两次等效变换，首先在长半轴相同情况下将半椭圆偶极子天线等效为一个矩形，然后在侧面积相等的条件下将矩形等效为杆状。

所述半椭圆天线臂上沿长半轴方向均布有6条缝隙，通过在这些缝隙上焊接贴片电阻R_i实现加载。经过计算和优化并考虑到实际电阻值分布情况，所述每条缝隙内加载电阻R_i由5个均匀焊接的并行电阻5组成，从半椭圆天线臂的馈电端开始缝隙内离散式加载电阻5的阻值依次为50Ω、60Ω、75Ω、100Ω、130Ω和220Ω，同列的两个半椭圆天线臂之间间隔的距离为4mm，可根据输入阻抗等天线技术指标要求对两个半椭圆天线臂之间间隔的距离进行调整，连接电阻7的阻值为300Ω。

所述绝缘介质板3为单面覆铜的环氧树脂玻璃纤维布介质板，其介电常数为4.4，长度为336mm，宽度为300mm，厚度为0.5-2mm。

所述反射腔4为铝制矩形腔体，根据仿真优化设计结果，考虑到天线安装环境的限制以及时域辐射特性的要求，该反射腔4采用矮背腔设计，其高度为天线中心频率对应的自由空间波长的1/25，长度为360mm，宽度为300mm。

如图2所示，为车载超宽带离散式加载半椭圆天线的输入阻抗曲线，在频率范围内，可以看出天线的输入阻抗曲线比较平坦，实部保持在100Ω左右，同时虚部值较小，表明天线端口反射很小。

如图3所示，为车载超宽带离散式加载半椭圆天线之间的隔离度曲线，从图中可以看出在250-750MHz频带范围内隔离度均不小于35dB。

如图4所示，为车载超宽带离散式加载半椭圆天线正下方1m位置处时域辐射波形曲线，此时天线安装在探测车底部，图中，横坐标表示单位为ns的时间变量，纵坐标为归一化的辐射脉冲幅值。从图中可知，当天线安装在探测车底部时，其辐射波形振荡拖尾依旧非常小，振荡水平低于10％，表明该天线具有良好的时域辐射特性。

综上所述，本实用新型提供的车载超宽带离散式加载半椭圆天线安装于探测车底部，具有工作带宽大、时域辐射特性好、结构紧凑、天线反射腔高度低和易于雷达的小型化等特点，能够满足车载超宽带探测雷达系统的工程需求。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (5)

1.车载超宽带离散式加载半椭圆天线，其特征在于包括发射天线单元、接收天线单元、绝缘介质板、反射腔、离散式加载电阻、金属带和连接电阻，其中发射天线单元和接收天线单元分别由两个完全相同的半椭圆天线臂组成，半椭圆天线臂两两并列对应安装于由挡板平均分隔开的反射腔内，同列的两个半椭圆天线臂对称地印制于绝缘介质板的正面构成一组超宽带偶极子天线，同列的两个半椭圆天线臂的长半轴方向与挡板平行并且在同列的两个半椭圆天线臂之间设有间隔，邻近间隔的两个半椭圆天线臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，半椭圆天线臂上沿长半轴方向均布有多条缝隙，每条缝隙内均匀焊接有多个离散式加载电阻，半椭圆天线臂的底侧两端分别通过连接电阻与金属带连接构成加载回路，反射腔为具有一开口面的矩形金属腔体，该反射腔的开口面与绝缘介质板的边缘通过螺母固定。

2.根据权利要求1所述的车载超宽带离散式加载半椭圆天线，其特征在于：所述半椭圆天线臂的长半轴长度为166mm，短轴长度为120mm，半椭圆天线臂的每条缝隙内离散式加载电阻的总阻值按照Wu-king加载计算公式得出，具体如下：

$R_i=\frac{60\mathrm{\ψ}\left(z_i\right)}{L-\left|z_i\right|}(\mathrm{\Ω}/m)$

$\mathrm{\ψ}\left(z_i\right)=\frac{{\∫}_0^L\left(L-z^{\′}\right)e^{-{\mathrm{jk}}_0{z}^{\′}}\left(e^{-{\mathrm{jk}}_0{D}_1}/D_1+e^{-{\mathrm{jk}}_0{D}_2}/D_2\right){\mathrm{dz}}^{\′}}{\left(L-\left|z_i\right|\right)e^{-{\mathrm{jk}}_0\left|z_i\right|}}$

$D_1={\[{(z_i+z^{\′})}^2+a^2\]}^{\frac{1}{2}}$

$D_2={\[{(z_i-z^{\′})}^2+a^2\]}^{\frac{1}{2}}$

其中R_i为第i条缝隙内的加载电阻总阻值，L为半椭圆天线臂的长半轴长度，z_i为半椭圆天线臂馈电端与离散式加载电阻所在缝隙的垂直距离，k₀为自由空间波数，a为杆状天线的半径，Wu-king加载主要应用于杆状天线中，因此在计算设计过程中基于面积相同做了两次等效变换，首先在长半轴相同情况下将半椭圆偶极子天线等效为一个矩形，然后在侧面积相等的条件下将矩形等效为杆状。

3.根据权利要求1所述的车载超宽带离散式加载半椭圆天线，其特征在于：所述半椭圆天线臂上沿长半轴方向均布有6条缝隙，通过在这些缝隙上焊接贴片电阻R_i实现加载，经过计算和优化并考虑到实际电阻值分布情况，所述每条缝隙内加载电阻R_i由5个均匀焊接的并行电阻组成，从半椭圆天线臂的馈电端开始缝隙内离散式加载电阻的阻值依次为50Ω、60Ω、75Ω、100Ω、130Ω和220Ω，同列的两个半椭圆天线臂之间间隔的距离为4mm，连接电阻的阻值为300Ω。

4.根据权利要求1所述的车载超宽带离散式加载半椭圆天线，其特征在于：所述绝缘介质板为单面覆铜的环氧树脂玻璃纤维布介质板，其介电常数为4.4，长度为336mm，宽度为300mm，厚度为0.5-2mm。

5.根据权利要求1所述的车载超宽带离散式加载半椭圆天线，其特征在于：所述反射腔为铝制矩形腔体，其高度为天线中心频率对应的自由空间波长的1/25，长度为360mm，宽度为300mm。