一种用于毫米波成像系统的阵列天线结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供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，所述阵列天线结构还包括一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。本发明的用于毫米波成像系统的阵列天线结构利用吸收性金属隔离结构，不但可以显著降低收发通道之间的耦合，使成像系统获得良好成像质量，而且结构稳定、成本低、易于实现。
【专利说明】一种用于毫米波成像系统的阵列天线结构
【技术领域】
[0001]本发明属于毫米波成像系统领域，涉及一种用于毫米波成像系统的阵列天线结构。
【背景技术】
[0002]毫米波成像系统发展到现在，其研究内容主要集中在:毫米波成像系统所用器件性能的改善，扫描结构的改进，更高频段的尝试，各种材料电磁参数确定，以及成像算法的提高等方面。从应用的角度讲，高分辨率、稳定可靠等性能，是毫米波成像系统的发展趋势。为实现这样的系统，器件性能、工程设计方法和算法的改进是必由之路。
[0003]主动式毫米波成像系统基于毫米波反射原理，利用反射毫米波对人体进行扫描检测，能够在不直接接触人体的情况下有效检测出藏匿于人体衣物下的违禁品和危险品，如枪支、刀具、爆炸物、毒品等，并以图像的方式显示检测结果，能满足机场、车站、陆路关口、重要集会活动等场所的人体安检需求。
[0004]有源毫米波电路前端模块是主动式毫米波成像系统的核心，主要由毫米波的发生、发射和接收三部分组成。毫米波收发前端性能对整个成像系统性能起着关键性作用。发射天线阵列由64只天线组成，在系统的控制下每个发射天线分时工作，依次发射出一定频率、一定强度的毫米波照射被检物体，毫米波经物体反射后，依次被由64只天线组成的接收天线阵列接收，并与本振信号进行混频得到的I/Q正交信号。为实现三维成像，还需要毫米波收发模块能够在一宽频带内发射和接收不同频率的毫米波。
[0005]相邻天线之间互耦是阵列天线一直存在的问题。收发天线阵之间的隔离直接影响到毫米波的成像质量，因此增加措施改进发射信号对接收通道的电磁泄漏是非常有必要的。解决收发隔离的方法一般有:频率隔离、时间隔离、极化隔离和空间隔离等。其中频率隔离的收发采用不同频率，便可解决收发隔离问题。时间隔离要求发射和接收在不同时间里进行。频率隔离和时间隔离均不适用于成像系统。极化隔离要求发射和接收天线极化正交，但交叉极化的存在使得该方法不明显。结构隔离是指增大收发天线之间的间距，间距增大一倍，隔离度可提高6dB，但是增加收发天线之间间距将受到空间位置的限制。
[0006]因此，提供一种新的阵列天线结构，以增强收发天线阵列之间的隔离效果、使成像系统获得良好成像质量实属必要。
【发明内容】
[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于毫米波成像系统的阵列天线结构，用于解决现有技术中收发天线之间隔离不好，影响毫米波成像系统成像质量的问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供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，所述阵列天线结构还包括一 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。
[0009]可选地，所述U型金属隔离结构的间距小于所述发射天线阵列与所述接收天线阵列之间距离的一半。
[0010]可选地，所述U型金属隔离槽结构的长度等于所述发射天线阵列的长度。
[0011]可选地，所述U型金属隔离结构的两侧表面设有毫米波吸收材料层。
[0012]进一步地,所述毫米波吸收材料层为娃树脂材料,厚度小于2.5mm。
[0013]可选地，所述发射天线阵列两侧及所述接收天线阵列两侧均设有硬质泡沫介质材料板；所述硬质泡沫介质材料板的介电常数小于3，弹性模量大于700MPa。
[0014]进一步地，所述硬质泡沫介质材料板为聚甲基丙烯酰亚胺材料。
[0015]可选地，所述发射天线阵列由若干发射天线单元组成，每个发射天线单元对应一路发射通道，所述发射天线单元之间的的间距为一个自由空间波长；所述接收天线阵列由若干接收天线单元组成，每个接收天线单元对应一路接收通道，所述接收天线单元之间的的间距为一个自由空间波长。
[0016]进一步地，所述发射天线单元及所述接收天线单元均为线极化渐变式缝隙微带天线。
[0017]进一步地，所述发射天线阵列包括64个发射天线单元，其中每8个发射天线单元组成一路发射天线；所述接收天线阵列包括64个接收天线单元，其中每8个接收天线单元组成一路接收天线。
[0018]进一步地，所述阵列天线结构通过设置于所述金属腔体内的发射开关阵列及接收开关阵列分别控制每一路发射天线及每一路接收天线的分时激励，以实现每一通道收发信号的功能。
[0019]如上所述，本发明的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，具有以下有益效果:
(I)本发明在天线收发通道之间设置U型金属隔离结构，可以降低相邻天线之间的互相耦合，降低收发天线之间的近场电磁干扰，有效提高收发天线系统之间的隔离度。(2)所述U型金属隔离结构的两侧表面进一步设有毫米波吸收材料层，衰减由于表面波引起的非镜面散射，降低U型金属隔离结构对天线辐射的反射影响，吸收天线的侧向辐射。(3)所述发射天线阵列及所述接收天线阵列均由硬质泡沫介质材料板固定，该硬质泡沫介质材料板的介电常数接近空气的介电常数，可以于成像系统在垂直方向机械扫描过程中保护天线，防止微带天线发生形变，减小由于微小振动导致天线辐射性能不稳定，而且并不改变天线的远场辐射性能，同时，该硬质泡沫介质材料板重量轻、性能稳定，易于与天线系统装配。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1显示为本发明的用于毫米波成像系统的阵列天线结构的剖视图。
[0021]图2显示为本发明的用于毫米波成像系统的阵列天线结构的侧视图。
[0022]图3显示为U型金属隔离结构的剖视图。
[0023]图4显示为由单模块封装的单刀八掷开关控制的1*8阵列天线单元的示意图。
[0024]图5显示为未加隔离结构的收发通道隔离度。
[0025]图6显示为加上U型金属隔离结构后的收发天线通道隔离度。
[0026]图7显示为毫米波成像系统的收发分系统的整体结构框图。[0027]元件标号说明
[0028]I金属腔体
[0029]2发射天线阵列
[0030]3接收天线阵列
[0031]4U型金属隔离结构
[0032]5硬质泡沫介质材料板
[0033]6毫米波吸收材料层
[0034]7发射开关阵列
[0035]8接收开关阵列
[0036]9发射端
[0037]10接收端
[0038]dU 型金属隔离结构的间距
[0039]tU型金属隔离结构侧板厚度
【具体实施方式】
[0040]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0041]请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0042]本发明提供一种用于毫米波成像系统的阵列天线结构，图1显示为该阵列天线结构的剖视图，包括一金属腔体I及分立设置于所述金属腔体I一侧的发射天线阵列2及接收天线阵列3 ;所述阵列天线结构还包括一 U型金属隔离结构4，所述U型金属隔离结构4固定于所述发射天线阵列2及所述接收天线阵列3之间金属腔体I上。
[0043]具体的，所述发射天线阵列2由若干发射天线单元组成，每个发射天线单元对应一路发射通道；所述发射天线单元之间的的间距为一个自由空间波长。此处，一个自由空间波长指的是所述阵列天线结构发射频段中心频率所对应的波长。
[0044]所述接收天线阵列3由若干接收天线单元组成，每个接收天线单元对应一路接收通道，所述接收天线单元之间的的间距亦为一个自由空间波长。
[0045]作为示例，所述发射天线单元及所述接收天线单元均采用线极化渐变式缝隙微带天线。
[0046]再请参阅图2，显示为本发明的用于毫米波成像系统的阵列天线结构的侧视图。如图2所示，所述发射天线阵列2两侧及所述接收天线阵列3两侧均设有硬质泡沫介质材料板5 ;所述硬质泡沫介质材料板的介电常数小于3,弹性模量大于700MPa。
[0047]所述硬质泡沫介质材料板5的介电常数接近空气的介电常数，具有较高的硬度，用该硬质泡沫介质材料板来固定发射天线阵列及接收天线阵列，可以于成像系统在垂直方向机械扫描过程中保护天线，防止微带天线发生形变，减小由于微小振动导致天线辐射性能不稳定，而且并不改变天线的远场辐射性能，同时，该硬质泡沫介质材料板重量轻、性能稳定，易于与天线系统装配。
[0048]本实施例中，所述硬质泡沫介质材料板5优选采用聚甲基丙烯酰亚胺材料。聚甲基丙烯酰亚胺(polymethacrylimide, PMI)泡沫塑料是一种轻质、闭孔的硬质泡沫塑料，它以甲基丙烯酸(MAA)和甲基丙烯腈(MAN)共聚物为基体树脂，具有良好的力学性能、热变形温度和化学稳定性。聚甲基丙烯酰亚胺材料的介电常数在1.05?1.13之间，更接近于空气，不影响天线本身的福射性能。
[0049]请参阅图3，显示为所述U型金属隔离结构4的剖视图。所述U型金属隔离结构4可以降低相邻天线之间的互相耦合，降低收发天线之间的近场电磁干扰，有效提高收发天线系统之间的隔离度。图3中示出了所述U型金属隔离结构的间距d及所述U型金属隔离结构侧板厚度t。根据成像系统分辨率要求的不同，所述阵列天线结构中，所述发射天线阵列2与所述接收天线阵列之间的距离可有不同的设计要求，本发明中，所述U型金属隔离结构的间距d小于所述发射天线阵列2与所述接收天线阵列3之间距离的一半。作为示例，本实施例中，所述U型金属隔离结构4位于所述发射天线阵列2与所述接收天线阵列3的中间，所述U型金属隔离结构的间距d为10mm，所述U型金属隔离结构侧板厚度t为1mm。
[0050]所述U型金属隔离槽结构4的长度越长，隔离效果越好，但是，所述U型金属隔离槽结构4的不能太长,长度过长将会影响天线的福射性能,改变天线的福射角度引起天线方向角倾斜。本实施例中，所述U型金属隔离槽结构4的长度优选为等于所述发射天线阵列2的长度，即与所述发射天线阵列2外侧齐平，如图1及图2所示。
[0051]如图3所示，所述U型金属隔离结构4的两侧表面进一步设有毫米波吸收材料层6，形成U型吸收性金属隔离板结构。由于U型金属隔离结构4表面会产生表面电流，产生表面波影响天线的性能，因此在所述U型金属隔离结构4两侧表面贴上或涂上所述毫米波吸收材料层6，可以衰减由于表面波引起的非镜面散射，吸收天线的侧向辐射，降低U型金属隔离结构4对天线辐射的反射影响。
[0052]所述毫米波吸收材料层6优选采用娃树脂材料。娃树脂(Silicone resin),学名聚硅氧烷树脂，是具有高度交联网状结构的聚有机硅氧烷，兼具有机树脂及无机材料的双重特性，具有独特的物理化学性能。本发明中，所述毫米波吸收材料层6厚度小于2.5mm，优选为小于1mm，特点是不导电、超薄、韧性好、宽带。作为示例，所述毫米波吸收材料层6采用
0.25mm的娃树脂。
[0053]所述阵列天线结构通过设置于所述金属腔体I内的发射开关阵列及接收开关阵列分别控制每一路发射天线及每一路接收天线的分时激励，以实现每一通道收发信号的功能。作为示例，所述发射天线阵列2包括64个发射天线单元，其中每8个发射天线单元组成一路发射天线；所述接收天线阵列3包括64个接收天线单元,其中每8个接收天线单元组成一路接收天线。请参阅图4，显示为由单模块封装的单刀八掷开关控制的1*8阵列天线单元的示意图。在其它实施例中，发射天线单元和接收天线阵列的数目也可以进行调整，不应过分限制本发明的保护范围。
[0054]本发明的阵列天线结构用于毫米波成像系统的前段阵列天线系统。由于成像分辨率要求，使得发射天线阵列与接收天线阵列之间的距离较小，而缝隙微带天线的垂直面波束宽度达到40°，因此，若未加隔离结构，接收天线可直接接收到发射天线相邻之间耦合的信号，其幅度可达到_30dBm，从而使得收发天线之间的电磁干扰很大，影响到中频回波信号，恶化成像效果。
[0055]请参阅图5及图6，分别显示为未加隔离结构的收发通道隔离度及加上U型金属隔离结构后的收发天线通道隔离度曲线。如图5所示，发射天线阵列与接收天线阵列之间未加隔离结构时，在频率为30GHz处，相邻天线收发通道隔离度分别为-48dB (s(l,3)端口)及-52dB(s(l，2)端口)。如图6所示，本发明发射天线阵列与接收天线阵列之间加上U型吸收性隔离板结构后，在频率为30GHz处，相邻天线收发通道隔离度分别为_68dB (s(l, 3)端口)及_75dB (s(l，2)端口)。本发明的阵列天线结构与未加隔离结构的天线结构相比，隔离度分别增加了 20dB和23dB，说明本发明的阵列天线结构可以有效增加相邻天线收发通道之间的隔离度。
[0056]请参阅图7，显示为毫米波成像系统的收发分系统的整体结构框图，包括发射开关阵列7及接收开关阵列8，所述发射开关阵列7 —端接发射端9、另一端接发射天线阵列2，所述接收开关阵列一端接接收端10、另一端接接收天线阵列3。所述发射开关阵列7及接收开关阵列8控制相邻天线的激励，其作用可以实现每个发射天线分时工作，依次发出一定频率、一定强度的毫米波照射被检物体，毫米波经物体反射后，依次被由64只天线组成的接收天线阵列接收，并与本振信号进行混频得到I/Q输出正交信号。毫米波成像前端收发分系统通过毫米波开关树进行毫米波收发前端与毫米波收发天线阵列之间的切换，进行一维水平方向电子扫描，同时辅以垂直方向的机械扫描，从而实现对成像场景的二维扫描，输出反应目标幅度和相位信息，可供毫米波成像算法处理的信号。
[0057]本发明的用于毫米波成像系统的阵列天线结构利用吸收性金属隔离结构，不但可以显著降低收发通道之间的耦合，使成像系统获得良好成像质量，而且结构稳定、成本低、易于实现。
[0058]综上所述，本发明的用于毫米波成像系统的阵列天线结构在天线收发通道之间设置U型金属隔离结构，可以降低发射天线与接收天线之间的互相耦合，降低收发天线之间的近场电磁干扰，有效提高收发天线系统之间的隔离度。U型金属隔离结构的两侧表面进一步设有毫米波吸收材料层，衰减了由于表面波引起的非镜面散射，改进了发射信号对接收通道的电磁泄漏，降低收发天线之间的近场电磁干扰，使得收发天线的近场互耦降低到最小，该吸收型U型金属隔离结构能够使得收发通道之间的隔离度提高20dB。此外，本发明的阵列天线结构中，所述发射天线阵列及所述接收天线阵列均由硬质泡沫介质材料板固定，该硬质泡沫介质材料板的介电常数接近空气的介电常数，可以于成像系统在垂直方向机械扫描过程中保护天线，防止微带天线发生形变，减小由于微小振动导致天线辐射性能不稳定，而且并不改变天线的远场辐射性能，同时，该硬质泡沫介质材料板重量轻、性能稳定，易于与天线系统装配。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0059]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一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，其特征在于:所述阵列天线结构还包括一 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。
2.根据权利要求1所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述U型金属隔离结构的间距小于所述发射天线阵列与所述接收天线阵列之间距离的一半。
3.根据权利要求1所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述U型金属隔离槽结构的长度等于所述发射天线阵列的长度。
4.根据权利要求1所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述U型金属隔离结构的两侧表面设有毫米波吸收材料层。
5.根据权利要求4所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述毫米波吸收材料层为硅树脂材料，厚度小于2.5mm。
6.根据权利要求1所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述发射天线阵列两侧及所述接收天线阵列两侧均设有硬质泡沫介质材料板；所述硬质泡沫介质材料板的介电常数小于3,弹性模量大于700MPa。
7.根据权利要求6所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述硬质泡沫介质材料板为聚甲基丙烯酰亚胺材料。
8.根据权利要求1所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述发射天线阵列由若干发射天线单元组成，每个发射天线单元对应一路发射通道，所述发射天线单元之间的的间距为一个自由空间波长；所述接收天线阵列由若干接收天线单元组成，每个接收天线单元对应一路接收通道，所述接收天线单元之间的的间距为一个自由空间波长。
9.根据权利要求8所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述发射天线单元及所述接收天线单元均为线极化渐变式缝隙微带天线。
10.根据权利要求8所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述发射天线阵列包括64个发射天线单元，其中每8个发射天线单元组成一路发射天线；所述接收天线阵列包括64个接收天线单元,其中每8个接收天线单元组成一路接收天线。
11.根据权利要求10所述的用于毫米波成像系统的阵列天线结构，其特征在于:所述阵列天线结构通过设置于所述金属腔体内的发射开关阵列及接收开关阵列分别控制每一路发射天线及每一路接收天线的分时激励，以实现每一通道收发信号的功能。
【文档编号】H01Q17/00GK103730729SQ201410002661
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】孙芸, 孙晓玮, 杨明辉, 王志高 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所