蝶形变形雷达天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种蝶形变形雷达天线，辐射臂对称印制于绝缘介质板的正面构成平面偶极子天线，该辐射臂的上部为三角形结构，下部为矩形结构，三角形结构与矩形结构的连接处呈圆弧过渡，两个辐射臂之间留有间隔，邻近间隔的两个辐射臂上分别设有输入端口作为天线的馈电端，两个辐射臂的矩形结构底边两侧分别连接有加载电阻，该加载电阻的另一端与矩形屏蔽腔相连接构成加载回路，矩形屏蔽腔的四边与绝缘介质板的边沿通过螺母固定。本实用新型通过缩短辐射臂横向尺寸、加载电阻以及金属矩形屏蔽腔实现了宽频特性和良好的时域辐射特性，并且天线体积较小，易于雷达的小型化，满足车载超宽带雷达系统的安装要求。
【专利说明】
蝶形变形雷达天线
技术领域
[0001] 本实用新型属于宽频带成像雷达天线技术领域，具体涉及一种蝶形变形雷达天 线。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着老城区改造、城市道路以及地下管网等基础设施建设的不断开展，超 宽带雷达探测技术开始在地球物理学研究、市政工程以及道路病害检测等行业获得广泛应 用。超宽带雷达探测技术具有高分辨率、强穿透能力、低截获率和强抗干扰性等优点，能够 实现对城市道路地下空洞、金属管网、排水系统等非均匀介质结构的非接触探测，并且具有 对被探测介质无损伤等特性。这些特点使得超宽带雷达在市政建设和城市道路安全隐患的 日常探测监察应用方面越来越普遍。
[0003] 超宽带雷达系统一般由天线、发射机和接收机三部分构成。作为发射与接收电磁 波的关键部件，超宽带天线的设计是一个十分重要的环节，天线性能的好坏直接影响雷达 成像和定位的质量。由于地表物质属性的影响，不同介质的散射干扰、目标位置的不确定性 以及来自离地面越深的目标回波越弱等因素的存在，这就要求天线具有时域保真性、高增 益、超带宽、定向性好等特点，同时还要求天线易制作、小尺寸以满足实际工程应用。
[0004] 目前，超宽带雷达中普遍使用的宽带天线有电阻电容加载的bow-tie天线、横向电 磁波喇叭天线以及Vivaldi天线等，加载的bow-tie天线端口匹配良好、辐射波形尾部振荡 较小，但天线辐射效率较差，一般在30%以下，由于发射机产生的发射信号幅值有限，会影响 雷达的实际探测距离。横向电磁波喇叭天线和Vivaldi天线方向性良好，增益较高，但近地 耦合特性较差，并且这些天线的横向尺寸和纵向尺寸均比较大，不利于系统的小型化和车 载需要。
【发明内容】
[0005] 本实用新型解决的技术问题是提供了一种能够满足城市道路车载超宽带雷达需 求的蝶形变形雷达天线。
[0006] 本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，蝶形变形雷达天线，其特征 在于包括一个矩形屏蔽腔、一个绝缘介质板、两个辐射臂、四个加载电阻和输入端口，其中 两个辐射臂对称印制于绝缘介质板的正面构成平面偶极子天线，该辐射臂的上部为三角形 结构，辐射臂的下部为矩形结构，三角形结构与矩形结构的连接处呈圆弧过渡，三角形结构 的顶部张角不小于90°，两个辐射臂之间留有间隔，邻近间隔的两个辐射臂上分别设有输入 端口作为天线的馈电端，该输入端口与外界激励信号源相连接，信号通过输入端口传输到 两个辐射臂上并通过辐射臂向空间辐射，两个辐射臂的矩形结构底边两侧分别连接有加载 电阻，该加载电阻的另一端与矩形屏蔽腔相连接构成加载回路，矩形屏蔽腔为一侧开口的 长方形腔体，该矩形屏蔽腔的四边与绝缘介质板的边沿通过螺母固定。
[0007] 进一步优选，所述的辐射臂的材质为黄铜、金、铝或铁。
[0008] 进一步优选，所述的绝缘介质板的材质为环氧树脂玻璃纤维布层压板，其厚度为 l-2mm〇
[0009] 进一步优选，所述的矩形屏蔽腔的材质为铝制材料，厚度为1mm，高度为天线中心 频率对应的自由空间波长的0.315倍。
[0010] 进一步优选，所述的辐射臂的三角形结构的顶部张角介于90°-100°之间。
[0011] 本实用新型的蝶形变形雷达天线集成在车载城市道路地下病害体超宽带探测雷 达系统中，该天线通过缩短辐射臂横向尺寸、加载电阻以及金属矩形屏蔽腔实现了宽频特 性和良好的时域辐射特性，并且天线体积较小，易于雷达的小型化，满足车载超宽带雷达系 统的安装要求。
【附图说明】
[0012]图1是本实用新型的结构不意图；
[0013]图2是本实用新型的电压驻波比曲线；
[0014]图3是本实用新型2m位置处时域辐射波形曲线。
[0015] 图中：11、第一辐射臂，12、第二辐射臂，21、第一加载电阻，22、第二加载电阻，23、 第三加载电阻，24、第四加载电阻，3、矩形屏蔽腔，4、绝缘介质板，5、输入端口。
【具体实施方式】
[0016] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
[0017] 需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附 图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本 文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接 受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如"上"、"下"、 "前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用 来限制本实用新型的保护范围。
[0018] 图1为根据本实用新型蝶形变形雷达天线的结构示意图，如图1所示，该蝶形变形 雷达天线包括绝缘介质板4、第一辐射臂11、第二辐射臂12、输入端口 5、第一加载电阻21、第 二加载电阻22、第三加载电阻23、第四加载电阻24以及一个矩形屏蔽腔3,其中：
[0019] 所述第一辐射臂11和第二辐射臂12的材质为金属，优选为黄铜、金、铝、铁等金属。 所述两个辐射臂通过电路板印制技术对称地印制于绝缘介质板4的正面构成平面偶极子天 线。第一辐射臂11和第二辐射臂12的下部呈矩形结构，上部呈三角形结构，三角形结构与矩 形结构的连接处呈圆弧过渡以缩小天线的横向尺寸并且避免电流不连续点产生。两个辐射 臂的宽度可根据天线尺寸要求进行调整，以达到系统整体性能要求，辐射臂的长度1和张角 Θ满足：
[0021]其中，A1为天线低频截止频率对应自由空间波长，#为辐射臂张角，Zc为天线的特 性阻抗。
[0022]所述第一辐射臂11和第二辐射臂12构成平面偶极子天线，两个辐射臂之间留有间 隔，邻近间隔的两个辐射臂上分别设有输入端口5作为天线的馈电端，两个辐射臂之间隔开 第一预设距离2mm。本领域技术人员可根据输入阻抗等天线技术指标要求对两辐射臂之间 的距离进行调整。
[0023]所述的第一加载电阻21、第二加载电阻22、第三加载电阻23和第四加载电阻24的 阻值均为220Ω左右，也可根据实际需要进行阻值调整以及电阻个数调整。第一加载电阻21 和第二加载电阻22-端焊接于所述第一辐射臂11底边的两侧，另一端与所述矩形屏蔽腔3 的侧壁相连接;第三加载电阻23和第四加载电阻24与所述第二辐射臂12的底边和所述矩形 屏蔽腔3的侧壁相连接，构成加载回路，可以有效减小辐射臂上的截断反射电流，进而抑制 脉冲拖尾。
[0024]所述绝缘介质板4的材质为环氧树脂玻璃纤维布层压板，其厚度约为l-2mm，长度 和宽度由天线本体尺寸确定。
[0025] 所述矩形屏蔽腔3材质为金属，优选为铝制材料。该屏蔽腔为一端开口的长方形腔 体，开口面用于安装所述绝缘介质板4并与金属屏蔽腔的底面平行，所述绝缘介质板4的边 缘通过螺母与所述矩形屏蔽腔3的开口面进行固定。所述矩形屏蔽腔3的厚度约为1mm，其高 度H约为天线中心频率对应的自由空间波长的0.315倍，长度和宽度技术人员可根据绝缘介 质板尺寸进行适当调整，以保证天线具有较轻的重量、良好的定向辐射能力以及较强的抗 外界各种复杂的电磁干扰能力。
[0026] 所述蝶形变形雷达天线工作时，输入端口 5与外界激励信号源相连接，信号通过输 入端口传输到第一辐射臂11和第二辐射臂12上，并通过两个辐射臂向空间辐射出去，实现 城市道路地下病害体探测成像的功能。
[0027] 制作所述金属辐射臂11和金属辐射臂12时首先选取蝶形天线臂的张角为不小于 90°的大张角，其取值介于90°-100°之间，在靠近输入端口 5的一段距离内保持三角形结构 不变，通过切掉三角形结构两侧顶角，从而有效缩小了天线横向尺寸。通过对出现的棱角进 行圆弧化处理，避免了电流不连续点的产生。经过处理后所述辐射臂形成了下部为矩形结 构、上部为三角形结构、三角形结构与矩形结构连接处呈圆弧过渡的蝶形变形天线。
[0028] 如图2所示，为根据本实用新型蝶形变形雷达天线的电压驻波比曲线图。图中，横 坐标表示频率变量，单位为MHz ;纵坐标表示幅度变量。在该实施例中，天线在10ΜΗζ-200ΜΗζ 频带范围内，电压驻波系数均小于1.8。按照一般城市道路车载超宽带雷达天线应用驻波比 系数小于2,可知在10MHz-200MHz频带范围内本实用新型天线均可以很好地满足使用要求。
[0029] 如图3所示，为根据本实用新型蝶形变形雷达天线2m位置处时域辐射波形曲线图。 图中，横坐标表示时间变量，单位为ns;纵坐标表示电场强度，单位为V/m。从图中可以看到， 蝶形变形雷达天线的时域辐射波形振荡拖尾非常小，持续时间小于半个脉宽，振荡水平低 于10%，具有良好的时域辐射特性。
[0030] 综上所述，本实用新型提供一种蝶形变形雷达天线，具有良好的时域保真性，较小 的振荡拖尾、简单的馈电方式，紧凑的天线尺寸，易于雷达的小型化集成和车辆装载，满足 城市道路地下病害体雷达系统的探测距离和精度要求，同时也便于产业化生产。
[0031] 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。
【主权项】
1. 蝶形变形雷达天线，其特征在于包括一个矩形屏蔽腔、一个绝缘介质板、两个辐射 臂、四个加载电阻和输入端口，其中两个辐射臂对称印制于绝缘介质板的正面构成平面偶 极子天线，该辐射臂的上部为三角形结构，辐射臂的下部为矩形结构，三角形结构与矩形结 构的连接处呈圆弧过渡，三角形结构的顶部张角不小于90°，两个辐射臂之间留有间隔，邻 近间隔的两个辐射臂上分别设有输入端口作为天线的馈电端，该输入端口与外界激励信号 源相连接，信号通过输入端口传输到两个辐射臂上并通过辐射臂向空间辐射，两个辐射臂 的矩形结构底边两侧分别连接有加载电阻，该加载电阻的另一端与矩形屏蔽腔相连接构成 加载回路，矩形屏蔽腔为一侧开口的长方形腔体，该矩形屏蔽腔的四边与绝缘介质板的边 沿通过螺母固定。2. 根据权利要求1所述的蝶形变形雷达天线，其特征在于：所述的辐射臂的材质为黄 铜、金、错或铁。3. 根据权利要求1所述的蝶形变形雷达天线，其特征在于:所述的绝缘介质板的材质为 环氧树脂玻璃纤维布层压板，其厚度为l_2mm。4. 根据权利要求1所述的蝶形变形雷达天线，其特征在于:所述的矩形屏蔽腔的材质为 铝制材料，厚度为1mm，高度为天线中心频率对应的自由空间波长的〇. 315倍。5. 根据权利要求1所述的蝶形变形雷达天线，其特征在于:所述的辐射臂的三角形结构 的顶部张角介于90° -100°之间。
【文档编号】H01Q1/36GK205488517SQ201620098243
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月1日
【发明人】李雪萍, 李乔飞, 陈凯建, 冉振威
【申请人】河南师范大学