超寬帶偶極子天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種超寬帶偶極子天線，金屬輻射臂對稱印制于絕緣介質(zhì)板的正面，金屬輻射臂之間預(yù)設(shè)有間隔，鄰近間隔的兩個金屬輻射臂上分別設(shè)有輸入端口作為各自的饋電端，阻抗變換器的平衡輸出端分別與兩個金屬輻射臂的饋電端電性連接，阻抗變換器的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(zhì)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(jié)構(gòu)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】
超寬帶偶極子天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于超寬帶穿墻雷達天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超寬帶偶極子天 線。
【背景技術(shù)】
[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(jié)構(gòu)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(shè)不斷推進，我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城 市房屋建設(shè)、工業(yè)與能源基地建設(shè)以及交通設(shè)施建設(shè)也得到了迅猛發(fā)展，利用超寬帶雷達 探測技術(shù)對工程隱患進行排查開始獲得廣泛應(yīng)用。
[0003] 天線是超寬帶穿墻雷達系統(tǒng)中一個至關(guān)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(zhì)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(yīng)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(zhì)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(yīng)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(shù)問題是提供了一種能夠應(yīng)用于地面、墻體等掩蔽下目標探 測的超寬帶偶極子天線。
[0006] 本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，超寬帶偶極子天線，其特征 在于包括金屬輻射臂、絕緣介質(zhì)板、金屬屏蔽腔、阻抗變換器、吸波材料和同軸連接器，其中 金屬輻射臂對稱印制于絕緣介質(zhì)板的正面，該金屬輻射臂的橫向剖面形狀可由如下曲線表 示：
，〇<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(yù)設(shè)有間隔，鄰近間隔的兩個金屬輻射臂上分別設(shè)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(jié)構(gòu)，該阻抗變換器平衡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(zhì)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(yù)設(shè)的間隔距離為1.5-2.5mm。
[0008] 進一步優(yōu)選，所述的絕緣介質(zhì)板為單面覆銅的環(huán)氧樹脂玻璃纖維布介質(zhì)板，其厚 度為1mm，介電常數(shù)為4.4,該絕緣介質(zhì)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(yīng)的自由空間波長的1/8,根據(jù)仿真優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，所述金屬屏蔽腔的尺寸為：長度 100mm，寬度60mm，高度 20mm。
[0010] 進一步優(yōu)選，所述的阻抗變換器為具有1:2阻抗變換功能以及不平衡50 Ω到1〇〇 Ω 平衡輸出特性的微帶饋電結(jié)構(gòu)。該阻抗變換器包括FR4介質(zhì)板及通過印刷電路板技術(shù)印刷 于FR4介質(zhì)板正面和背面的金屬導體，F(xiàn)R4介質(zhì)板的介電常數(shù)為4.4,厚度為1.5mm，長度為 38mm，寬度為20mm，F(xiàn)R4介質(zhì)板的正面設(shè)有上下平行的帶有過孔的矩形金屬導體和中間寬兩 端窄的條狀金屬導體，條狀金屬導體的長度與FR4介質(zhì)板的長度一致，其兩端窄邊的長度和 寬度分別為1 〇mm和3mm，中間寬邊的長度和寬度分別為18mm和3.8mm，兩端窄邊分別連接于 中間寬邊的中部，兩端窄邊與FR4介質(zhì)板底邊的距離為6.6mm，矩形金屬導體與條狀金屬導 體中間寬邊的長度一致并且該矩形金屬導體設(shè)置于條狀金屬導體中間寬邊的正上方，矩形 金屬導體與條狀金屬導體中間長邊的距離為〇.2mm，矩形金屬導體的兩側(cè)分別設(shè)有對稱的 且半徑均為0.5mm的過孔，F(xiàn)R4介質(zhì)板的背面設(shè)有左右對稱的半拱形金屬導體，半拱形金屬 導體的水平下底邊與FR4介質(zhì)板底邊的距離為3mm，該水平下底邊的長度為2mm，半拱形金屬 導體的豎直外側(cè)邊與FR4介質(zhì)板的側(cè)邊重合，該豎直外側(cè)邊的長度為11mm，半拱形金屬導體 的水平上底邊的長度為14_，半拱形金屬導體的豎直內(nèi)側(cè)邊的長度為3.2mm，豎直內(nèi)側(cè)邊的 底端和水平下底邊的內(nèi)側(cè)端通過圓弧過渡，半拱形金屬導體上設(shè)有與矩形金屬導體過孔相 對且半徑一致的過孔。
[0011] 進一步優(yōu)選，所述的吸波材料與金屬屏蔽腔和絕緣介質(zhì)板均緊密接觸，該吸波材 料的材質(zhì)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。
[0012] 進一步優(yōu)選，所述的同軸連接器安裝于絕緣介質(zhì)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(jié)構(gòu)緊湊以及輪廓平 滑等特點，該超寬帶偶極子天線饋電方式簡單，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(jié)構(gòu)不意圖；
[0015] 圖2是本實用新型中阻抗變換器正面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖3是本實用新型中阻抗變換器背面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖4是本實用新型的電壓駐波比曲線；
[0018] 圖5是本實用新型的增益曲線；
[0019]圖6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。
[0020]圖中：1、金屬輻射臂，2、絕緣介質(zhì)板，3、金屬屏蔽腔，4、阻抗變換器，5、吸波材料， 6、同軸連接器，7、FR4介質(zhì)板，8、矩形金屬導體，9、條狀金屬導體，10、半拱形金屬導體。
【具體實施方式】
[0021] 結(jié)合附圖詳細描述本實用新型的具體內(nèi)容。圖1為超寬帶偶極子天線的結(jié)構(gòu)示意 圖，如圖1所示，該超寬帶偶極子天線包括金屬輻射臂1、絕緣介質(zhì)板2、金屬屏蔽腔3、阻抗變 換器4、吸波材料5和同軸連接器6,其中金屬輻射臂1對稱印制于絕緣介質(zhì)板2的正面，該金 屬輻射臂1的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(yù)設(shè)有間隔，鄰近間 隔的兩個金屬輻射臂1上分別設(shè)有輸入端口作為各自的饋電端，阻抗變換器4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(jié)構(gòu)，該阻抗變換器4的平衡輸出端分 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4的輸入端與同軸連 接器6的一端相連，該同軸連接器6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(zhì)板2的正上方，該金屬屏蔽腔3的內(nèi)部填充有吸波材料5。
[0022] 所述的金屬輻射臂1之間預(yù)設(shè)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(shè)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(shù)指標要求對兩個 金屬輻射臂1之間的間隔進行調(diào)整。
[0023] 所述的絕緣介質(zhì)板2為單面覆銅的環(huán)氧樹脂玻璃纖維布介質(zhì)板，其厚度為1mm，介 電常數(shù)為4.4，該絕緣介質(zhì)板2固定于金屬屏蔽腔3的底端開口處。
[0024] 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(yīng)的自由 空間波長的1/8,根據(jù)仿真優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，所述金屬屏蔽腔3的尺寸為：長度100mm，寬度 60mm，高度 20mm。
[0025] 所述的阻抗變換器4為具有1:2阻抗變換功能以及不平衡50 Ω到1〇〇 Ω平衡輸出特 性的微帶饋電結(jié)構(gòu)。該阻抗變換器包括FR4介質(zhì)板7及通過印刷電路板技術(shù)印刷于FR4介質(zhì) 板7正面和背面的金屬導體，F(xiàn)R4介質(zhì)板7的介電常數(shù)為4.4,厚度為1.5mm，長度為38mm，寬度 為20mm，F(xiàn)R4介質(zhì)板7的正面設(shè)有上下平行的帶有過孔的矩形金屬導體8和中間寬兩端窄的 條狀金屬導體9,條狀金屬導體9的長度與FR4介質(zhì)板7的長度一致，其兩端窄邊的長度和寬 度分別為1 〇mm和3mm，中間寬邊的長度和寬度分別為18mm和3.8mm，兩端窄邊分別連接于中 間寬邊的中部，兩端窄邊與FR4介質(zhì)板7底邊的距離為6.6mm，矩形金屬導體8與條狀金屬導 體9中間寬邊的長度一致并且該矩形金屬導體8設(shè)置于條狀金屬導體9中間寬邊的正上方， 矩形金屬導體8與條狀金屬導體9中間長邊的距離為0.2_，矩形金屬導體8的兩側(cè)分別設(shè)有 對稱的且半徑均為0.5mm的過孔，F(xiàn)R4介質(zhì)板7的背面設(shè)有左右對稱的半拱形金屬導體10,半 拱形金屬導體10的水平下底邊與FR4介質(zhì)板7底邊的距離為3mm，該水平下底邊的長度為 2mm，半拱形金屬導體10的豎直外側(cè)邊與FR4介質(zhì)板7的側(cè)邊重合，該豎直外側(cè)邊的長度為 11mm，半拱形金屬導體10的水平上底邊的長度為14mm，半拱形金屬導體10的豎直內(nèi)側(cè)邊的 長度為3.2_，豎直內(nèi)側(cè)邊的底端和水平下底邊的內(nèi)側(cè)端通過圓弧過渡，半拱形金屬導體10 上設(shè)有與矩形金屬導體8過孔相對且半徑一致的過孔。
[0026] 所述的吸波材料5與金屬屏蔽腔3和絕緣介質(zhì)板2均緊密接觸，該吸波材料5的材質(zhì) 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。
[0027] 所述的同軸連接器6安裝于絕緣介質(zhì)板2的背面，其一端與阻抗變換器4的不平衡 輸入端電性相連，另一端與超寬帶雷達的發(fā)射機或接收機相連。
[0028] 圖2和3為阻抗變換器的正面和背面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2-3所示，該阻抗變換器的 FR4介質(zhì)板7的正面和背面均通過印刷電路板技術(shù)印制有金屬導體，F(xiàn)R4介質(zhì)板7的介電常數(shù) 為4.4,厚度為1.5mm，長度為38mm，寬度為20mm。對平面偶極子天線按照端口阻抗100 Ω進行 匹配，為了減小天線的體積，便于小型化便攜式系統(tǒng)的集成，依據(jù)金屬屏蔽腔3的高度和微 帶及平行雙線的阻抗計算公式，按照指數(shù)漸變方法設(shè)計一個具有緊湊的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(jié)構(gòu)，其具體參數(shù)如下：2 p=18mm，r p=3.8mm，2 ?= 10mm，wffl=3mm, 1 g =1 4mm , w d ffl=6.6mm, w e=3.2mm, s p=0.2mm, d g^3mm, r =0 · 5mm和 A，2臟〇
[0029] 如圖4所示，為超寬帶偶極子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。
[0030]如圖5所示，為超寬帶偶極子天線的增益曲線圖。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。
[0031] 如圖6所示，為超寬帶偶極子天線系統(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。
[0032] 綜上所述，本實用新型提供的超寬帶偶極子天線具有工作帶寬大、時域輻射特性 好、天線體積小、結(jié)構(gòu)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。
[0033]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(quán)項】
1. 超寬帶偶極子天線，其特征在于包括金屬輻射臂、絕緣介質(zhì)板、金屬屏蔽腔、阻抗變 換器、吸波材料和同軸連接器，其中金屬輻射臂對稱印制于絕緣介質(zhì)板的正面，該金屬輻射 臂的橫向剖面形狀可由如下曲線表示：彡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(yù)設(shè)有間隔，鄰近間隔的兩個 金屬輻射臂上分別設(shè)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(jié)構(gòu)，該阻抗變換器的平衡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，阻抗變換器的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(zhì)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(quán)利要求1所述的超寬帶偶極子天線，其特征在于:所述的金屬輻射臂之間預(yù)設(shè) 的間隔距離為1.5-2.5mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶偶極子天線，其特征在于:所述的絕緣介質(zhì)板為單面覆 銅的環(huán)氧樹脂玻璃纖維布介質(zhì)板，其厚度為1mm，介電常數(shù)為4.4,該絕緣介質(zhì)板固定于金屬 屏蔽腔的底端開口處。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶偶極子天線，其特征在于:所述的金屬屏蔽腔為底面開 口的矩形腔體，其高度為天線中心頻率對應(yīng)的自由空間波長的1/8,根據(jù)仿真優(yōu)化設(shè)計結(jié) 果，所述金屬屏蔽腔的尺寸為:長度100mm，寬度60mm，高度20mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶偶極子天線，其特征在于:所述的阻抗變換器為具有1: 2阻抗變換功能以及不平衡50 Ω到100 Ω平衡輸出特性的微帶饋電結(jié)構(gòu)，該阻抗變換器包括 FR4介質(zhì)板及通過印刷電路板技術(shù)印刷于FR4介質(zhì)板正面和背面的金屬導體，F(xiàn)R4介質(zhì)板的 介電常數(shù)為4.4,厚度為1.5mm，長度為38mm，寬度為20mm，F(xiàn)R4介質(zhì)板的正面設(shè)有上下平行的 帶有過孔的矩形金屬導體和中間寬兩端窄的條狀金屬導體，條狀金屬導體的長度與FR4介 質(zhì)板的長度一致，其兩端窄邊的長度和寬度分別為IOmm和3mm，中間寬邊的長度和寬度分別 為18mm和3.8mm，兩端窄邊分別連接于中間寬邊的中部，兩端窄邊與FR4介質(zhì)板底邊的距離 為6.6mm，矩形金屬導體與條狀金屬導體中間寬邊的長度一致并且該矩形金屬導體設(shè)置于 條狀金屬導體中間寬邊的正上方，矩形金屬導體與條狀金屬導體中間長邊的距離為〇. 2mm， 矩形金屬導體的兩側(cè)分別設(shè)有對稱的且半徑均為〇.5mm的過孔，F(xiàn)R4介質(zhì)板的背面設(shè)有左右 對稱的半拱形金屬導體，半拱形金屬導體的水平下底邊與FR4介質(zhì)板底邊的距離為3mm，該 水平下底邊的長度為2mm，半拱形金屬導體的豎直外側(cè)邊與FR4介質(zhì)板的側(cè)邊重合，該豎直 外側(cè)邊的長度為11mm，半拱形金屬導體的水平上底邊的長度為14mm，半拱形金屬導體的豎 直內(nèi)側(cè)邊的長度為3.2_，豎直內(nèi)側(cè)邊的底端和水平下底邊的內(nèi)側(cè)端通過圓弧過渡，半拱形 金屬導體上設(shè)有與矩形金屬導體過孔相對且半徑一致的過孔。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶偶極子天線，其特征在于:所述的吸波材料與金屬屏蔽 腔和絕緣介質(zhì)板均緊密接觸，該吸波材料的材質(zhì)為多層聚氨酯泡沫，相對介電常數(shù)為2.2， 電導率為〇.125S/m。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶偶極子天線，其特征在于:所述的同軸連接器安裝于絕 緣介質(zhì)板的背面。
【文檔編號】H01Q1/38GK205646145SQ201620433106
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】李雪萍, 陳凱建, 閆靜, 李喬飛, 冉振威
【申請人】河南師范大學