一种用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线，金属辐射臂对称印制于绝缘介质板的正面，金属辐射臂之间预设有间隔，邻近间隔的两个金属辐射臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，阻抗变换器输出端分别与两个金属辐射臂的馈电端电性连接，阻抗变换器输入端与同轴连接器的一端相连，该同轴连接器的另一端与超宽带穿墙雷达的发射机或接收机相连，金属屏蔽腔位于绝缘介质板的正上方，该金属屏蔽腔的内部填充有吸波材料。本实用新型具有工作带宽大、时域辐射特性好、天线体积小、结构紧凑以及轮廓平滑等特点，其馈电方式简单，易于加工和维护，能够满足超宽带便携式小型化雷达系统的工程需求。
【专利说明】
一种用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线
技术领域
[0001] 本实用新型属于超宽带穿墙雷达天线技术领域，具体涉及一种用于穿墙雷达的超 宽带水滴形天线。
【背景技术】
[0002] 超宽带穿墙雷达是一种能够隔墙实现目标探测与定位的新型实时成像雷达系统， 它通过发射一种持续时间极短的脉冲穿透混凝土、木、砖、土坯等非金属障碍物对建筑物内 的人员及内部结构进行非入侵式成像及跟踪探测，并且具有不损害被探测墙体、高探测分 辨率和高工作效率等优点。近年来，随着城镇化建设不断推进，我国城市基础设施建设、城 市房屋建设、工业与能源基地建设以及交通设施建设也得到了迅猛发展，利用超宽带雷达 探测技术对工程隐患进行排查开始获得广泛应用。
[0003] 天线是超宽带穿墙雷达系统中一个至关重要的组成部分，发挥着向外发射雷达信 号和接收被探测目标回波信号的双重作用，其性能的好坏直接影响整个雷达系统的探测精 度和探测距离。受限于雷达信号在墙面散射干扰与墙体介质中的衰减以及被探测目标雷达 散射截面的不确定性，考虑到实际工程应用中的便携式小型化需求，因此要求天线具有良 好的辐射特性、超带宽特性、轻量化和低轮廓特性。
[0004] 目前用于超宽带穿墙雷达的天线主要有电阻电容加载的蝶形天线、喇叭天线以及 Vivaldi天线，其中尤以阻抗加载的蝶形天线为主。虽然阻抗加载的蝶形天线具有较好的介 质耦合特性和时域辐射波形，但是辐射效率较差，影响雷达实际探测距离；喇叭天线和 Vivaldi天线近地耦合性较差，并且具有较大的横向与纵向尺寸，不利于系统的小型化与集 成化，影响穿墙雷达系统在实际工程中的应用。因此，研制一种既具有小尺寸，又具有比较 好增益的超宽带天线，对于小型化便携式超宽带穿墙雷达系统有着重要的意义。
【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应用于地面、墙体等掩蔽下目标探 测的超宽带水滴形天线。
[0006] 本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种用于穿墙雷达的超宽带 水滴形天线，其特征在于包括金属辐射臂、绝缘介质板、金属屏蔽腔、吸波材料、阻抗变换器 和同轴连接器，其中金属辐射臂对称印制于绝缘介质板的正面，该金属辐射臂为水滴形，其
$ 横向剖面形状可由如下曲线表示： ，0<t<0.5，x为金属辐射臂的 长轴方向，y为金属辐射臂的短轴方向，金属辐射臂之间预设有间隔，邻近间隔的两个金属 辐射臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，阻抗变换器为具有1:2阻抗变换功能以及 不平衡50 Ω到1〇〇 Ω平衡转换的商用传输线变压器，优选为ADTL2-18+，并设计一块FR4介质 板用以搭载固定，该阻抗变换器输出端分别与两个金属辐射臂的馈电端电性连接，用于阻 抗匹配，阻抗变换器输入端与同轴连接器的一端相连，该同轴连接器的另一端与超宽带穿 墙雷达的发射机或接收机相连，金属屏蔽腔位于绝缘介质板的正上方，该金属屏蔽腔的内 部填充有吸波材料。
[0007] 进一步优选，所述的金属辐射臂之间预设的间隔距离为1.5-2.5mm。
[0008] 进一步优选，所述的绝缘介质板为单面覆铜的环氧树脂玻璃纤维布介质板，其厚 度为1mm，介电常数为4.4,该绝缘介质板固定于金属屏蔽腔的底端开口处。
[0009] 进一步优选，所述的金属屏蔽腔为底面开口的矩形腔体，其高度为天线中心频率 对应的自由空间波长的1/8。
[0010] 进一步优选，所述的吸波材料与金属屏蔽腔和绝缘介质板紧密接触，该吸波材料 的材质为多层聚氨酯泡沫，相对介电常数为2.2，电导率为0.125S/m。
[0011 ] 进一步优选，所述的FR4介质板的尺寸为16mmX 18mmX 1.6mm。
[0012] 进一步优选，所述的同轴连接器安装于绝缘介质板的背面。
[0013] 本实用新型具有工作带宽大、时域辐射特性好、天线体积小、结构紧凑以及轮廓平 滑等特点，该用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线馈电方式简单，易于加工和维护，能够满足 超宽带便携式小型化雷达系统的工程需求。
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型的结构不意图；
[0015] 图2是本实用新型中印制有1:2阻抗变换器的FR4介质板的结构示意图；
[0016] 图3是本实用新型的电压驻波比曲线；
[0017]图4是本实用新型的增益曲线；
[0018]图5是本实用新型系统轴线方向上0.5m位置接收到的前后辐射波形曲线。
[0019]图中：1、金属辐射臂，2、绝缘介质板，3、金属屏蔽腔，4、吸波材料，5、FR4介质板，6、 阻抗变换器输入端，7、传输线变压器，8、阻抗变换器输出端。
【具体实施方式】
[0020]结合附图详细描述本实用新型的具体内容。图1为用于穿墙雷达的超宽带水滴形 天线的结构示意图，如图1所示，该用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线包括金属辐射臂1、绝 缘介质板2、金属屏蔽腔3、吸波材料4、阻抗变换器和同轴连接器，其中金属辐射臂1对称印 制于绝缘介质板2的正面，该金属辐射臂1为水滴形，其横向剖面形状可由如下曲线表示：
<t<0.5，x为金属辐射臂1的长轴方向，y为金属辐射臂1的短轴 方向，金属辐射臂1之间预设有间隔，邻近间隔的两个金属辐射臂1上分别设有输入端口作 为各自的馈电端，阻抗变换器为具有1:2阻抗变换功能以及不平衡到平衡输出特性的微带 馈电结构，该阻抗变换器输出端8分别与两个金属辐射臂1的馈电端电性连接，用于阻抗匹 配，阻抗变换器输入端6与同轴连接器的一端相连，该同轴连接器的另一端与超宽带穿墙雷 达的发射机或接收机相连，金属屏蔽腔3位于绝缘介质板2的正上方，该金属屏蔽腔3的内部 填充有吸波材料4。
[0021] 所述的金属辐射臂1之间预设的间隔距离为1.5-2.5mm，邻近间隔的两个金属辐射 臂1上分别设有输入端口作为各自的馈电端，可根据输入阻抗等天线技术指标要求对两个 金属辐射臂1之间的间隔进行调整。
[0022] 所述的绝缘介质板2为单面覆铜的环氧树脂玻璃纤维布介质板，其厚度为1mm，介 电常数为4.4，该绝缘介质板2固定于金属屏蔽腔3的底端开口处。
[0023] 所述的金属屏蔽腔3为底面开口的矩形腔体，其高度为天线中心频率对应的自由 空间波长的1/8,根据仿真优化设计结果，所述金属屏蔽腔3的尺寸为：长度100mm，宽度 60mm，高度 20mm。
[0024] 所述的吸波材料4与金属屏蔽腔3和绝缘介质板2紧密接触，该吸波材料4的材质为 多层聚氨酯泡沫，相对介电常数为2.2，电导率为0.125S/m。
[0025] 所述的阻抗变换器为具有1: 2阻抗变换功能以及从不平衡50 Ω到1〇〇 Ω平衡输出 的转换功能，其平衡输出端分别与两个水滴形金属辐射臂馈电端相连，用于天线阻抗匹配， 输入端与同轴连接器相连。
[0026] 所述的同轴连接器安装于绝缘介质板2的背面，其一端与阻抗变换器的不平衡输 入端6电性相连，另一端与超宽带雷达的发射机或接收机相连。
[0027]如图2所示，为印制有1:2阻抗变换器的FR4介质板的结构示意图。图中，阻抗变换 器包括一个商用的具有1: 2阻抗变换功能以及不平衡50 Ω到1〇〇 Ω平衡转换的传输线变压 器7和一个自己设计的用来搭载固定传输线变压器7的FR4介质板5,该传输线变压器7优选 为ADTL2-18+;所述FR4介质板5的尺寸为16mmX 18mmX 1.6mm，其上通过电路板印制技术印 制有传输线变压器7;所述阻抗变换器输入端6印制有用于连接所述同轴连接器的微带线， 其值为50 Ω ;所述阻抗变换器输出端8印制有用于焊接两个水滴形金属辐射臂的平行双线， 依据微带线和平行双线的阻抗公式，输入端若采用50 Ω微带输入，则输出端为1〇〇 Ω平行双 线。
[0028] 如图3所示，为用于穿墙雷达的超宽带水滴形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GHz，纵坐标表示幅度变量。由图可知，在0.7-4GHz频率范围内， 电压驻波系数均小于2,能够很好地满足超宽带穿墙雷达系统的分辨率要求。
[0029] 如图4所示，为用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线的增益曲线图。图中，横坐标表 示频率变量，单位为GHz，纵坐标表示增益，单位为dB。由图可知，通频带内天线的增益变化 比较平坦，基本维持在OdB左右，可以满足超宽带穿墙雷达探测距离的要求。
[0030] 如图5所示，为用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线系统轴线方向上0.5m位置接收 到的前后辐射波形图。图中，横坐标表示时间变量，单位为ns，纵坐标表示幅度变量，单位为 V。由图可知，天线的辐射波形比较干净，紧随主辐射波后面的振荡比较小，瞬时前后辐射波 形比值为12.5dB，天线具有较强的定向辐射特性和避免外界微弱信号干扰的能力，满足超 宽带穿墙雷达天线的探测精度和分辨率要求。
[0031] 综上所述，本实用新型提供的用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线具有工作带宽 大、时域辐射特性好、天线体积小、结构紧凑以及轮廓平滑等特点，馈电方式简单，易加工和 维护，能够满足超宽带小型化便携式雷达系统的工程需求。
[0032]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. 一种用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线，其特征在于包括金属福射臂、绝缘介质板、 金属屏蔽腔、吸波材料、阻抗变换器和同轴连接器，其中金属福射臂对*皮的正面，该金属福射臂为水滴形，其横向剖面形状可由如下曲线表示 ，0《t《0.5，x为金属福射臂的长轴方向，y为金属福射臂的短轴方向，金属福射臂之间预设 有间隔，邻近间隔的两个金属福射臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，阻抗变换器 为具有1: 2阻抗变换功能W及不平衡50 Q到100 Q平衡转换的商用传输线变压器，优选为 八0化2-18+，并设计一块FR4介质板用W搭载固定，该阻抗变换器输出端分别与两个金属福 射臂的馈电端电性连接，用于阻抗匹配，阻抗变换器输入端与同轴连接器的一端相连，该同 轴连接器的另一端与超宽带穿墙雷达的发射机或接收机相连，金属屏蔽腔位于绝缘介质板 的正上方，该金属屏蔽腔的内部填充有吸波材料。2. 根据权利要求1所述的用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线，其特征在于:所述的金属 福射臂之间预设的间隔距离为1.5-2.5mm。3. 根据权利要求1所述的用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线，其特征在于:所述的绝缘 介质板为单面覆铜的环氧树脂玻璃纤维布介质板，其厚度为1mm，介电常数为4.4,该绝缘介 质板固定于金属屏蔽腔的底端开口处。4. 根据权利要求1所述的用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线，其特征在于:所述的金属 屏蔽腔为底面开口的矩形腔体，其高度为天线中屯、频率对应的自由空间波长的1/8。5. 根据权利要求1所述的用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线，其特征在于:所述的吸波 材料与金属屏蔽腔和绝缘介质板紧密接触，该吸波材料的材质为多层聚氨醋泡沫，相对介 电常数为2.2，电导率为0.125S/m。6. 根据权利要求1所述的用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线，其特征在于:所述的FR4 介质板的尺寸为16mmX ISmmX 1.6mm。7. 根据权利要求1所述的用于穿墙雷达的超宽带水滴形天线，其特征在于:所述的同轴 连接器安装于绝缘介质板的背面。
【文档编号】H01Q1/50GK205621857SQ201620433105
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】李雪萍, 闫静, 陈凯建, 李乔飞, 曾凡鑫
【申请人】河南师范大学