一種用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線，金屬輻射臂對稱印制于絕緣介質板的正面，金屬輻射臂之間預設有間隔，鄰近間隔的兩個金屬輻射臂上分別設有輸入端口作為各自的饋電端，阻抗變換器輸出端分別與兩個金屬輻射臂的饋電端電性連接，阻抗變換器輸入端與同軸連接器的一端相連，該同軸連接器的另一端與超寬帶穿墻雷達的發(fā)射機或接收機相連，金屬屏蔽腔位于絕緣介質板的正上方，該金屬屏蔽腔的內(nèi)部填充有吸波材料。本實用新型具有工作帶寬大、時域輻射特性好、天線體積小、結構緊湊以及輪廓平滑等特點，其饋電方式簡單，易于加工和維護，能夠滿足超寬帶便攜式小型化雷達系統(tǒng)的工程需求。
【專利說明】
一種用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線
技術領域
[0001] 本實用新型屬于超寬帶穿墻雷達天線技術領域，具體涉及一種用于穿墻雷達的超 寬帶水滴形天線。
【背景技術】
[0002] 超寬帶穿墻雷達是一種能夠隔墻實現(xiàn)目標探測與定位的新型實時成像雷達系統(tǒng)， 它通過發(fā)射一種持續(xù)時間極短的脈沖穿透混凝土、木、磚、土坯等非金屬障礙物對建筑物內(nèi) 的人員及內(nèi)部結構進行非入侵式成像及跟蹤探測，并且具有不損害被探測墻體、高探測分 辨率和高工作效率等優(yōu)點。近年來，隨著城鎮(zhèn)化建設不斷推進，我國城市基礎設施建設、城 市房屋建設、工業(yè)與能源基地建設以及交通設施建設也得到了迅猛發(fā)展，利用超寬帶雷達 探測技術對工程隱患進行排查開始獲得廣泛應用。
[0003] 天線是超寬帶穿墻雷達系統(tǒng)中一個至關重要的組成部分，發(fā)揮著向外發(fā)射雷達信 號和接收被探測目標回波信號的雙重作用，其性能的好壞直接影響整個雷達系統(tǒng)的探測精 度和探測距離。受限于雷達信號在墻面散射干擾與墻體介質中的衰減以及被探測目標雷達 散射截面的不確定性，考慮到實際工程應用中的便攜式小型化需求，因此要求天線具有良 好的輻射特性、超帶寬特性、輕量化和低輪廓特性。
[0004] 目前用于超寬帶穿墻雷達的天線主要有電阻電容加載的蝶形天線、喇叭天線以及 Vivaldi天線，其中尤以阻抗加載的蝶形天線為主。雖然阻抗加載的蝶形天線具有較好的介 質耦合特性和時域輻射波形，但是輻射效率較差，影響雷達實際探測距離；喇叭天線和 Vivaldi天線近地耦合性較差，并且具有較大的橫向與縱向尺寸，不利于系統(tǒng)的小型化與集 成化，影響穿墻雷達系統(tǒng)在實際工程中的應用。因此，研制一種既具有小尺寸，又具有比較 好增益的超寬帶天線，對于小型化便攜式超寬帶穿墻雷達系統(tǒng)有著重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實用新型解決的技術問題是提供了一種能夠應用于地面、墻體等掩蔽下目標探 測的超寬帶水滴形天線。
[0006] 本實用新型為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種用于穿墻雷達的超寬帶 水滴形天線，其特征在于包括金屬輻射臂、絕緣介質板、金屬屏蔽腔、吸波材料、阻抗變換器 和同軸連接器，其中金屬輻射臂對稱印制于絕緣介質板的正面，該金屬輻射臂為水滴形，其
$ 橫向剖面形狀可由如下曲線表示： ，0<t<0.5，x為金屬輻射臂的 長軸方向，y為金屬輻射臂的短軸方向，金屬輻射臂之間預設有間隔，鄰近間隔的兩個金屬 輻射臂上分別設有輸入端口作為各自的饋電端，阻抗變換器為具有1:2阻抗變換功能以及 不平衡50 Ω到1〇〇 Ω平衡轉換的商用傳輸線變壓器，優(yōu)選為ADTL2-18+，并設計一塊FR4介質 板用以搭載固定，該阻抗變換器輸出端分別與兩個金屬輻射臂的饋電端電性連接，用于阻 抗匹配，阻抗變換器輸入端與同軸連接器的一端相連，該同軸連接器的另一端與超寬帶穿 墻雷達的發(fā)射機或接收機相連，金屬屏蔽腔位于絕緣介質板的正上方，該金屬屏蔽腔的內(nèi) 部填充有吸波材料。
[0007] 進一步優(yōu)選，所述的金屬輻射臂之間預設的間隔距離為1.5-2.5mm。
[0008] 進一步優(yōu)選，所述的絕緣介質板為單面覆銅的環(huán)氧樹脂玻璃纖維布介質板，其厚 度為1mm，介電常數(shù)為4.4,該絕緣介質板固定于金屬屏蔽腔的底端開口處。
[0009] 進一步優(yōu)選，所述的金屬屏蔽腔為底面開口的矩形腔體，其高度為天線中心頻率 對應的自由空間波長的1/8。
[0010] 進一步優(yōu)選，所述的吸波材料與金屬屏蔽腔和絕緣介質板緊密接觸，該吸波材料 的材質為多層聚氨酯泡沫，相對介電常數(shù)為2.2，電導率為0.125S/m。
[0011 ] 進一步優(yōu)選，所述的FR4介質板的尺寸為16mmX 18mmX 1.6mm。
[0012] 進一步優(yōu)選，所述的同軸連接器安裝于絕緣介質板的背面。
[0013] 本實用新型具有工作帶寬大、時域輻射特性好、天線體積小、結構緊湊以及輪廓平 滑等特點，該用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線饋電方式簡單，易于加工和維護，能夠滿足 超寬帶便攜式小型化雷達系統(tǒng)的工程需求。
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的結構不意圖；
[0015] 圖2是本實用新型中印制有1:2阻抗變換器的FR4介質板的結構示意圖；
[0016] 圖3是本實用新型的電壓駐波比曲線；
[0017]圖4是本實用新型的增益曲線；
[0018]圖5是本實用新型系統(tǒng)軸線方向上0.5m位置接收到的前后輻射波形曲線。
[0019]圖中：1、金屬輻射臂，2、絕緣介質板，3、金屬屏蔽腔，4、吸波材料，5、FR4介質板，6、 阻抗變換器輸入端，7、傳輸線變壓器，8、阻抗變換器輸出端。
【具體實施方式】
[0020]結合附圖詳細描述本實用新型的具體內(nèi)容。圖1為用于穿墻雷達的超寬帶水滴形 天線的結構示意圖，如圖1所示，該用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線包括金屬輻射臂1、絕 緣介質板2、金屬屏蔽腔3、吸波材料4、阻抗變換器和同軸連接器，其中金屬輻射臂1對稱印 制于絕緣介質板2的正面，該金屬輻射臂1為水滴形，其橫向剖面形狀可由如下曲線表示：
<t<0.5，x為金屬輻射臂1的長軸方向，y為金屬輻射臂1的短軸 方向，金屬輻射臂1之間預設有間隔，鄰近間隔的兩個金屬輻射臂1上分別設有輸入端口作 為各自的饋電端，阻抗變換器為具有1:2阻抗變換功能以及不平衡到平衡輸出特性的微帶 饋電結構，該阻抗變換器輸出端8分別與兩個金屬輻射臂1的饋電端電性連接，用于阻抗匹 配，阻抗變換器輸入端6與同軸連接器的一端相連，該同軸連接器的另一端與超寬帶穿墻雷 達的發(fā)射機或接收機相連，金屬屏蔽腔3位于絕緣介質板2的正上方，該金屬屏蔽腔3的內(nèi)部 填充有吸波材料4。
[0021] 所述的金屬輻射臂1之間預設的間隔距離為1.5-2.5mm，鄰近間隔的兩個金屬輻射 臂1上分別設有輸入端口作為各自的饋電端，可根據(jù)輸入阻抗等天線技術指標要求對兩個 金屬輻射臂1之間的間隔進行調(diào)整。
[0022] 所述的絕緣介質板2為單面覆銅的環(huán)氧樹脂玻璃纖維布介質板，其厚度為1mm，介 電常數(shù)為4.4，該絕緣介質板2固定于金屬屏蔽腔3的底端開口處。
[0023] 所述的金屬屏蔽腔3為底面開口的矩形腔體，其高度為天線中心頻率對應的自由 空間波長的1/8,根據(jù)仿真優(yōu)化設計結果，所述金屬屏蔽腔3的尺寸為：長度100mm，寬度 60mm，高度 20mm。
[0024] 所述的吸波材料4與金屬屏蔽腔3和絕緣介質板2緊密接觸，該吸波材料4的材質為 多層聚氨酯泡沫，相對介電常數(shù)為2.2，電導率為0.125S/m。
[0025] 所述的阻抗變換器為具有1: 2阻抗變換功能以及從不平衡50 Ω到1〇〇 Ω平衡輸出 的轉換功能，其平衡輸出端分別與兩個水滴形金屬輻射臂饋電端相連，用于天線阻抗匹配， 輸入端與同軸連接器相連。
[0026] 所述的同軸連接器安裝于絕緣介質板2的背面，其一端與阻抗變換器的不平衡輸 入端6電性相連，另一端與超寬帶雷達的發(fā)射機或接收機相連。
[0027]如圖2所示，為印制有1:2阻抗變換器的FR4介質板的結構示意圖。圖中，阻抗變換 器包括一個商用的具有1: 2阻抗變換功能以及不平衡50 Ω到1〇〇 Ω平衡轉換的傳輸線變壓 器7和一個自己設計的用來搭載固定傳輸線變壓器7的FR4介質板5,該傳輸線變壓器7優(yōu)選 為ADTL2-18+;所述FR4介質板5的尺寸為16mmX 18mmX 1.6mm，其上通過電路板印制技術印 制有傳輸線變壓器7;所述阻抗變換器輸入端6印制有用于連接所述同軸連接器的微帶線， 其值為50 Ω ;所述阻抗變換器輸出端8印制有用于焊接兩個水滴形金屬輻射臂的平行雙線， 依據(jù)微帶線和平行雙線的阻抗公式，輸入端若采用50 Ω微帶輸入，則輸出端為1〇〇 Ω平行雙 線。
[0028] 如圖3所示，為用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線的電壓駐波比曲線圖。圖中，橫 坐標表示頻率變量，單位為GHz，縱坐標表示幅度變量。由圖可知，在0.7-4GHz頻率范圍內(nèi)， 電壓駐波系數(shù)均小于2,能夠很好地滿足超寬帶穿墻雷達系統(tǒng)的分辨率要求。
[0029] 如圖4所示，為用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線的增益曲線圖。圖中，橫坐標表 示頻率變量，單位為GHz，縱坐標表示增益，單位為dB。由圖可知，通頻帶內(nèi)天線的增益變化 比較平坦，基本維持在OdB左右，可以滿足超寬帶穿墻雷達探測距離的要求。
[0030] 如圖5所示，為用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線系統(tǒng)軸線方向上0.5m位置接收 到的前后輻射波形圖。圖中，橫坐標表示時間變量，單位為ns，縱坐標表示幅度變量，單位為 V。由圖可知，天線的輻射波形比較干凈，緊隨主輻射波后面的振蕩比較小，瞬時前后輻射波 形比值為12.5dB，天線具有較強的定向輻射特性和避免外界微弱信號干擾的能力，滿足超 寬帶穿墻雷達天線的探測精度和分辨率要求。
[0031] 綜上所述，本實用新型提供的用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線具有工作帶寬 大、時域輻射特性好、天線體積小、結構緊湊以及輪廓平滑等特點，饋電方式簡單，易加工和 維護，能夠滿足超寬帶小型化便攜式雷達系統(tǒng)的工程需求。
[0032]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理，主要特征和優(yōu)點，在不脫離本實用新 型精神和范圍的前提下，本實用新型還有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保 護的本實用新型的范圍。
【主權項】
1. 一種用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線，其特征在于包括金屬福射臂、絕緣介質板、 金屬屏蔽腔、吸波材料、阻抗變換器和同軸連接器，其中金屬福射臂對*皮的正面，該金屬福射臂為水滴形，其橫向剖面形狀可由如下曲線表示 ，0《t《0.5，x為金屬福射臂的長軸方向，y為金屬福射臂的短軸方向，金屬福射臂之間預設 有間隔，鄰近間隔的兩個金屬福射臂上分別設有輸入端口作為各自的饋電端，阻抗變換器 為具有1: 2阻抗變換功能W及不平衡50 Q到100 Q平衡轉換的商用傳輸線變壓器，優(yōu)選為 八0化2-18+，并設計一塊FR4介質板用W搭載固定，該阻抗變換器輸出端分別與兩個金屬福 射臂的饋電端電性連接，用于阻抗匹配，阻抗變換器輸入端與同軸連接器的一端相連，該同 軸連接器的另一端與超寬帶穿墻雷達的發(fā)射機或接收機相連，金屬屏蔽腔位于絕緣介質板 的正上方，該金屬屏蔽腔的內(nèi)部填充有吸波材料。2. 根據(jù)權利要求1所述的用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線，其特征在于:所述的金屬 福射臂之間預設的間隔距離為1.5-2.5mm。3. 根據(jù)權利要求1所述的用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線，其特征在于:所述的絕緣 介質板為單面覆銅的環(huán)氧樹脂玻璃纖維布介質板，其厚度為1mm，介電常數(shù)為4.4,該絕緣介 質板固定于金屬屏蔽腔的底端開口處。4. 根據(jù)權利要求1所述的用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線，其特征在于:所述的金屬 屏蔽腔為底面開口的矩形腔體，其高度為天線中屯、頻率對應的自由空間波長的1/8。5. 根據(jù)權利要求1所述的用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線，其特征在于:所述的吸波 材料與金屬屏蔽腔和絕緣介質板緊密接觸，該吸波材料的材質為多層聚氨醋泡沫，相對介 電常數(shù)為2.2，電導率為0.125S/m。6. 根據(jù)權利要求1所述的用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線，其特征在于:所述的FR4 介質板的尺寸為16mmX ISmmX 1.6mm。7. 根據(jù)權利要求1所述的用于穿墻雷達的超寬帶水滴形天線，其特征在于:所述的同軸 連接器安裝于絕緣介質板的背面。
【文檔編號】H01Q1/50GK205621857SQ201620433105
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】李雪萍, 閆靜, 陳凱建, 李喬飛, 曾凡鑫
【申請人】河南師范大學