CN207459185U - 新型形变雷达天线及桥梁形变监测雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种新型形变雷达天线，包括金属槽和微带天线阵列，所述金属槽包括条形状的底平面和槽周面，槽周面沿周向连续，所述微带天线阵列固定于所述底平面上。本实用新型所述底平面和槽周面形成一个半封闭空间，将所述微带天线阵列包围，增加了阵列天线俯仰向辐射口径的效果，故而可以降低俯仰向半功率角带宽；同时，所述微带天线阵列设于平板状的底平面上，抑制了天线在自用空间中向后辐射，故而可以在一定程度上降低后瓣；此外，再通过调节所述阵元的电流幅度和相位角度，可以实现阵列天线的波束附形，实现进一步降低天线方位图的后瓣和俯仰向半功率带宽，还可以降低周围电磁环境的干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种新型形变雷达天线及桥梁形变监测雷达系统。
背景技术
随着世界经济的发展及科技的进步，高层建筑物、大型水坝、桥梁、信号基站等建筑物层出不穷。然而，由于各种外界及建筑物内部结构等因素的影响，使得一些在运营期间的建筑物出现各种结构的变化及损伤，因此对这些建筑物的监测是减灾防灾的重要举措，具有重大的意义应用需求。
位移形变监测是各种灾害监测的重要支撑手段。纵观国内外变形监测技术数十年的发展历程，传统的位移形变监测方法以采用大地测量法和近景测量法为主，如全站仪、位移计、GPS测量。近年来微波干涉测量技术的出现，在形变监测方面显示出其他传统方法无可比拟的优点，其架设简便、可实现远距离监测及多监测点同步测量，且不受气候的影响，在无法触及或是较为危险的区域发挥作用。
近年来微波干涉形变测量技术广泛应用于桥梁形变测量，能够达到同时多点多跨形变测量。如意大利IDS公司联合佛罗伦萨大学研制的IBIS-FS形变监测雷达能够应用于对桥梁的形变测量，IBIS-FS是一种基于微波干涉技术的高级远程监测系统，将线性调频连续波技术和干涉测量技术相结合，在雷达距离分辨单元允许范围内，可同时测量桥梁上的多个位置点的形变。但是I BI S-FS形变监测雷达采用的是喇叭天线，该种天线应用在桥梁形变测量方面存在问题：一方面该类型的天线波束的旁瓣较大，在雷达附近的目标很容易进入波束的旁瓣甚至是主瓣，对测量结果造成了较大的影响；另一方面在对形变测量中，桥梁上需要监测的多个目标往往线性分布着，比如某跨的1/4位置、1/2位置、3/4位置等，喇叭天线的波束分布不是特别适应线性分布的目标。如图1所示，喇叭天线波束的主瓣无法完全覆盖3个目标。
申请号为201410002661.8的发明专利申请公开了一种用于毫米波成像系统的阵列天线结构,包括一金属腔体及分立设置于所述金属腔体一侧的发射天线阵列及接收天线阵列,还包括一U型金属隔离结构,所述U型金属隔离结构固定于所述发射天线阵列及所述接收天线阵列之间金属腔体上,利用吸收性金属隔离结构,来降低收发通道之间的耦合,降低收发天线之间的近场电磁干扰,提高收发天线之间的隔离度。该措施是早已应用多年的提高天线隔离度的常规方法，简单的金属隔离墙并不能解决其他问题。
发明内容
本实用新型的主要目的是提出一种新型形变雷达天线，旨在解决现有的雷达天线测量精度不高且不适应线性分布目标的问题。
为实现上述目的，本实用新型提出的新型形变雷达天线包括：
金属槽，其一侧具有开口，包括条形状的底平面，所述底平面的整个周边缘向开口直线延伸形成有槽周面，所述槽周面沿周向连续，所述金属槽的横截面积不小于所述底平面的面积；
微带天线阵列，固定于所述底平面中间，所述微带天线阵列包括至少一个直线阵列，所述直线阵列由若干个阵元排列组成，其排列方向与所述底平面的延伸方向一致。
优选地，所述微带阵列天线为贴片型矩形微带天线。
优选地，所述槽周面围合成的空间呈长方体状。
优选地，相邻两个所述阵元之间的单元间距为半个导波波长。
优选地，所述微带天线阵列包括至少二个直线阵列，相邻两个所述直线阵列之间的线阵间距为0.8～1倍导波波长。
优选地，所述微带天线阵列包括二个直线阵列，每个所述直线阵列包括十个阵元。
优选地，所述直线阵列的边缘距所述槽周面的距离不少于半个自由空间波长。
优选地，所述金属槽开口边缘向外周向形成有安装凸缘。
优选地，所述新型形变雷达天线包括开口朝向相同的两个，两个所述新型形变雷达天线的底平面位于同一平面，且微带天线阵列相互平行。
本实用新型还提出一种桥梁形变监测雷达系统，包括箱体、设于箱体一侧的发射天线和接收天线，所述发射天线和接收天线为上述任一项所述的新型形变雷达天线。
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果：
一、本实用新型所述金属槽采用金属材质制成，底平面和槽周面形成一个半封闭空间，除了开口处，其它部位都封闭，将所述微带天线阵列包围，所述微带天线阵列相当于该半封闭空间内的场源，它会于金属质的所述槽周面上感应产生散射场，由此增加了阵列天线俯仰向辐射口径的效果，相比于没有加金属槽的雷达天线，可以降低俯仰向半功率角带宽；同时，所述微带天线阵列设于平板状的底平面上，抑制了天线在自用空间中向后辐射，故而可以在一定程度上降低后瓣；此外，再通过调节所述阵元的电流幅度和相位角度，可以实现阵列天线的波束附形，实现进一步降低天线方位图的后瓣和俯仰向半功率带宽。
二、所述金属槽还可以降低周围电磁环境的干扰，当将两个所述新型形变雷达天线分别作为发射天线和接收天线应用于桥梁形变监测雷达系统时，发射天线和接收天线分别水平设于所述桥梁形变监测雷达系统箱体一侧，不仅由于天线隐藏于箱体表面以内，受到保护、不易损坏，而且发射天线和接收天线的阵元错位设置，使得天线的波束方向错位，降低了收发天线的空间耦合，进一步增加了收发天线的隔离度。
三、本新型形变雷达天线方向图在空间呈扇形分布，仅在俯仰向波束较宽，在水平向波束很窄，俯仰向波束比喇叭天线宽，更适应线性多目标测量，水平向比喇叭天线波束更窄，用窄波束消除主瓣杂波干扰，因此可以抑制干扰，提高测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为背景技术中喇叭天线应用于桥梁形变测量的试验测量场景示意图；
图2为背景技术中喇叭天线的典型方向图；
图3为本实用新型一实施例提出的新型形变雷达天线的立体结构示意图；
图4为图3的主视图；
图5为图3提出的新型形变雷达天线应用于桥梁形变监测雷达系统的结构图；
图6为图3提出的新型形变雷达天线中微带天线阵列带金属槽与不带金属槽的俯仰向半功率带宽方向图；
图7为图3提出的新型形变雷达天线的三维电磁仿真的方向图。
本实用新型的附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 1 | 金属槽 | 2 | 微带天线阵列 |
| 11 | 底平面 | 21 | 阵元 |
| 12 | 槽周面 | 3 | 箱体 |
| 13 | 开口 | 4 | 发射天线 |
| 14 | 安装凸缘 | 5 | 接收天线 |
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
本实用新型提出一种新型形变雷达天线。
图3为本实用新型一实施例提出的新型形变雷达天线的立体结构示意图；图4为图3的主视图；图5为图3提出的新型形变雷达天线应用于桥梁形变监测雷达系统的结构图；图6为图3提出的新型形变雷达天线中微带天线阵列带金属槽与不带金属槽的俯仰向半功率带宽方向图；图7为图3提出的新型形变雷达天线的三维电磁仿真的方向图。
请参阅图3至图7，新型形变雷达天线包括：
金属槽1，其一侧具有开口13，包括条形状的底平面11，所述底平面11的整个周边缘向开口13直线延伸形成有槽周面12，所述槽周面12沿周向连续，所述金属槽1的横截面积不小于所述底平面11的面积；
微带天线阵列2，固定于所述底平面11上，所述微带天线阵列包括至少一个直线阵列，所述直线阵列由若干个阵元21排列组成，其排列方向与所述底平面11的延伸方向一致。
本实用新型所述金属槽1采用金属材质制成，所述底平面11和槽周面12形成一个半封闭空间，除了开口13处，其它部位都封闭，将所述微带天线阵列2包围，所述微带天线阵列2相当于该半封闭空间内的场源，它会于金属质的所述槽周面12上感应产生散射场，由此增加了阵列天线俯仰向辐射口径的效果，相比于没有加金属槽的雷达天线，可以降低俯仰向半功率角带宽(如图6所示)；同时，所述微带天线阵列2设于平板状的底平面11上，抑制了天线在自用空间中向后辐射，故而可以在一定程度上降低后瓣；此外，再通过调节所述阵元21的电流幅度和相位角度，可以实现阵列天线的波束附形，实现进一步降低天线方位图的后瓣和半功率带宽，所述金属槽1还可以降低周围电磁环境的干扰。
图2表示一典型的喇叭天线的方向图，传统的喇叭天线的波束近乎圆锥形，在俯仰方向和水平方向上波束宽度都较大，在测量桥梁、塔等线状目标时，总有一个方向由于波束角大，额外杂波容易从主瓣进入雷达，对测量造成较大的干扰。
图7是本实用新型三维电磁仿真的方向图，本新型形变雷达天线基于微波干涉原理提出，尤其适用于桥梁形变测量系统中，能够达到同时多点多跨形变测量，采用条形金属槽结构，它的方向图在空间呈扇形分布，仅在俯仰向波束较宽，在水平向波束很窄，俯仰向波束比喇叭天线宽，更适应线性多目标测量，水平向比喇叭天线波束更窄，用窄波束消除主瓣杂波干扰，因此可以抑制干扰，提高测量精度。
图2和图7中，E面和H面是衡量方向图的两个相互垂直的主平面，于本实施例中，E面和H面分别表示水平向和俯仰向。图2中的H面半功率波束宽度为18.63°，E面半功率波束宽度为16.14°；图7中H面半功率波束宽度为32°，E面半功率波束宽度为9.6°。
另外，现有的天线由于伸出雷达主体之外，容易受到磕碰、撞击，容易造成天线的损坏，本实用新型由于在机械结构方面，天线隐藏于雷达主体以内，受到保护，不易损坏。
进一步地，所述微带天线阵列2为贴片型矩形微带天线。
所述微带天线阵列2采用背馈或边馈方式进行微波信号馈入。微带天线是利用微带线的辐射来制成的微带微波天线，矩形微带天线是由矩形导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线，通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。微带天线具有重量轻、体积小、成本低、集成电路兼容等优点。
优选地，所述槽周面12围合成的空间呈长方体状。
长方体状的所述金属槽1内拐角处铣有机械加工倒角。不限定地，所述槽周面12围合成的空间还可以是底面为平行四边形的正四棱柱状，或者底面为椭圆形的圆柱状。
进一步地，相邻两个所述阵元21之间的单元间距为1个导波波长。进一步地，所述微带天线阵列2包括至少二个直线阵列，相邻两个所述直线阵列之间的线阵间距为0.8～1倍导波波长。较佳地，所述微带天线阵列2包括二个直线阵列，每个所述直线阵列包括十个阵元。进一步地，所述直线阵列的边缘距所述槽周面12的距离不少于半个自由空间波长。
本实用新型所述微带阵列天线2主要实现波束附形，覆盖一定区域内，降低非目标物对系统测量的干扰。阵列天线赋形是通过调节辐射阵元的电流幅度和相位角度来获得阵列增益，常用的电流幅度调节有切比雪夫加权、泰勒加权等；而通过调整阵列的尺寸，可以调节天线方向图的半功率角带宽。于本实施例中，所述微带天线阵列2采用10×2单元进行组阵，其中10个单元串联组成一个线阵，单元间距为1个导波波长λg；2个线阵组成一个面阵，线阵间距为0.8λg～λg，其中λg表示导波波长，即电磁波在微带线上的传播波长；为避免矩形槽壁对天线单元辐射造成较大影响，最边缘天线经过电磁仿真计算，不少于半个自由空间波长λ/2，较佳地取λ/2，其中λ表示自由空间波长，即电磁波在自由空间传播的波长；水平向的方位角则通过10个单元串联组成的线阵尺寸去调整，而俯仰向则是2列辐射单元的尺径去调整。
进一步地，所述金属槽1开口边缘向外周向形成有安装凸缘14。
所述安装凸缘14用于方便将所述金属槽1安装于桥梁形变监测雷达系统上。
进一步地，所述新型形变雷达天线包括开口朝向相同的两个，两个所述新型形变雷达天线的底平面位于同一平面，且微带天线阵列相互平行。
当将两个所述新型形变雷达天线分别作为发射天线4和接收天线5应用于桥梁形变监测雷达系统时，发射天线4和接收天线5分别水平设于所述桥梁形变监测雷达系统箱体3一面的左下角和右上角。由此使得所述发射天线4和接收天线5的阵元错位设置，使得天线的波束方向错位，降低了收发天线的空间耦合，从而增加了收发天线的隔离度。
本实用新型还提出一种桥梁形变监测雷达系统，包括箱体3、设于箱体3一侧的发射天线4和接收天线5，所述发射天线4和接收天线5的具体结构参照上述实施例中所述新型形变雷达天线，由于发射天线4和接收天线5采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种新型形变雷达天线，其特征在于，包括：
金属槽，其一侧具有开口，包括条形状的底平面，所述底平面的整个周边缘向开口直线延伸形成有槽周面，所述槽周面沿周向连续，所述金属槽的横截面积不小于所述底平面的面积；
微带天线阵列，固定于所述底平面中间，所述微带天线阵列包括至少一个直线阵列，所述直线阵列由若干个阵元排列组成，其排列方向与所述底平面的延伸方向一致。
2.如权利要求1所述的新型形变雷达天线，其特征在于，所述微带阵列天线为贴片型矩形微带天线。
3.如权利要求1所述的新型形变雷达天线，其特征在于，所述槽周面围合成的空间呈长方体状。
4.如权利要求1所述的新型形变雷达天线，其特征在于，相邻两个所述阵元之间的单元间距为半个导波波长。
5.如权利要求1所述的新型形变雷达天线，其特征在于，所述微带天线阵列包括至少二个直线阵列，相邻两个所述直线阵列之间的线阵间距为0.8～1倍导波波长。
6.如权利要求1所述的新型形变雷达天线，其特征在于，所述微带天线阵列包括二个直线阵列，每个所述直线阵列包括十个阵元。
7.如权利要求1所述的新型形变雷达天线，其特征在于，所述直线阵列的边缘距所述槽周面的距离不少于半个自由空间波长。
8.如权利要求1所述的新型形变雷达天线，其特征在于，所述金属槽开口边缘向外周向形成有安装凸缘。
9.如权利要求1所述的新型形变雷达天线，其特征在于，所述新型形变雷达天线包括开口朝向相同的两个，两个所述新型形变雷达天线的底平面位于同一平面，且微带天线阵列相互平行。
10.一种桥梁形变监测雷达系统，包括箱体、设于箱体一侧的发射天线和接收天线，其特征在于，所述发射天线和接收天线为权利要求1至9任一项所述的新型形变雷达天线。
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Cited By (2)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: Novel deformation radar antenna and bridge deformation monitoring radar system Effective date of registration: 20191121 Granted publication date: 20180605 Pledgee: Bank of Changsha Co.,Ltd. Kaifu sub branch Pledgor: CHANGSHA SENSINTEL INFORMATION TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2019430000045 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20201208 Granted publication date: 20180605 Pledgee: Bank of Changsha Co.,Ltd. Kaifu sub branch Pledgor: CHANGSHA SENSINTEL INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2019430000045 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: New deformation radar antenna and bridge deformation monitoring radar system Effective date of registration: 20201215 Granted publication date: 20180605 Pledgee: Bank of Changsha Co.,Ltd. Kaifu sub branch Pledgor: CHANGSHA SENSINTEL INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2020980009278 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20211223 Granted publication date: 20180605 Pledgee: Bank of Changsha Co.,Ltd. Kaifu sub branch Pledgor: CHANGSHA SENSINTEL INFORMATION TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2020980009278 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: New deformation radar antenna and bridge deformation monitoring radar system Effective date of registration: 20211228 Granted publication date: 20180605 Pledgee: Bank of Changsha Co.,Ltd. Kaifu sub branch Pledgor: CHANGSHA SENSINTEL INFORMATION TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2021430000100 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230707 Granted publication date: 20180605 Pledgee: Bank of Changsha Co.,Ltd. Kaifu sub branch Pledgor: CHANGSHA SENSINTEL INFORMATION TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2021430000100 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |