超宽带偶极子天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种超宽带偶极子天线，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，阻抗变换器的平衡输出端分别与两个金属辐射臂的馈电端电性连接，阻抗变换器的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】
超宽带偶极子天线
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，具体涉及一种超宽带偶极子天 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 测的超宽带偶极子天线。
[0006] 本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，超宽带偶极子天线，其特征 在于包括金属辐射臂、绝缘介质板、金属屏蔽腔、阻抗变换器、吸波材料和同轴连接器，其中 金属辐射臂对称印制于绝缘介质板的正面，该金属辐射臂的横向剖面形状可由如下曲线表 示：
，〇<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到平衡输出特性的微带 馈电结构，该阻抗变换器平衡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,根据仿真优化设计结果，所述金属屏蔽腔的尺寸为：长度 100mm，宽度60mm，高度 20mm。
[0010] 进一步优选，所述的阻抗变换器为具有1:2阻抗变换功能以及不平衡50 Ω到1〇〇 Ω 平衡输出特性的微带馈电结构。该阻抗变换器包括FR4介质板及通过印刷电路板技术印刷 于FR4介质板正面和背面的金属导体，FR4介质板的介电常数为4.4,厚度为1.5mm，长度为 38mm，宽度为20mm，FR4介质板的正面设有上下平行的带有过孔的矩形金属导体和中间宽两 端窄的条状金属导体，条状金属导体的长度与FR4介质板的长度一致，其两端窄边的长度和 宽度分别为1 〇mm和3mm，中间宽边的长度和宽度分别为18mm和3.8mm，两端窄边分别连接于 中间宽边的中部，两端窄边与FR4介质板底边的距离为6.6mm，矩形金属导体与条状金属导 体中间宽边的长度一致并且该矩形金属导体设置于条状金属导体中间宽边的正上方，矩形 金属导体与条状金属导体中间长边的距离为〇.2mm，矩形金属导体的两侧分别设有对称的 且半径均为0.5mm的过孔，FR4介质板的背面设有左右对称的半拱形金属导体，半拱形金属 导体的水平下底边与FR4介质板底边的距离为3mm，该水平下底边的长度为2mm，半拱形金属 导体的竖直外侧边与FR4介质板的侧边重合，该竖直外侧边的长度为11mm，半拱形金属导体 的水平上底边的长度为14_，半拱形金属导体的竖直内侧边的长度为3.2mm，竖直内侧边的 底端和水平下底边的内侧端通过圆弧过渡，半拱形金属导体上设有与矩形金属导体过孔相 对且半径一致的过孔。
[0011] 进一步优选，所述的吸波材料与金属屏蔽腔和绝缘介质板均紧密接触，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。
[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，该超宽带偶极子天线馈电方式简单，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是本实用新型中阻抗变换器正面结构示意图；
[0016] 图3是本实用新型中阻抗变换器背面结构示意图；
[0017] 图4是本实用新型的电压驻波比曲线；
[0018] 图5是本实用新型的增益曲线；
[0019]图6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。
[0020]图中：1、金属辐射臂，2、绝缘介质板，3、金属屏蔽腔，4、阻抗变换器，5、吸波材料， 6、同轴连接器，7、FR4介质板，8、矩形金属导体，9、条状金属导体，10、半拱形金属导体。
【具体实施方式】
[0021] 结合附图详细描述本实用新型的具体内容。图1为超宽带偶极子天线的结构示意 图，如图1所示，该超宽带偶极子天线包括金属辐射臂1、绝缘介质板2、金属屏蔽腔3、阻抗变 换器4、吸波材料5和同轴连接器6,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的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4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4的平衡输出端分 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4的输入端与同轴连 接器6的一端相连，该同轴连接器6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5。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 所述的阻抗变换器4为具有1:2阻抗变换功能以及不平衡50 Ω到1〇〇 Ω平衡输出特 性的微带馈电结构。该阻抗变换器包括FR4介质板7及通过印刷电路板技术印刷于FR4介质 板7正面和背面的金属导体，FR4介质板7的介电常数为4.4,厚度为1.5mm，长度为38mm，宽度 为20mm，FR4介质板7的正面设有上下平行的带有过孔的矩形金属导体8和中间宽两端窄的 条状金属导体9,条状金属导体9的长度与FR4介质板7的长度一致，其两端窄边的长度和宽 度分别为1 〇mm和3mm，中间宽边的长度和宽度分别为18mm和3.8mm，两端窄边分别连接于中 间宽边的中部，两端窄边与FR4介质板7底边的距离为6.6mm，矩形金属导体8与条状金属导 体9中间宽边的长度一致并且该矩形金属导体8设置于条状金属导体9中间宽边的正上方， 矩形金属导体8与条状金属导体9中间长边的距离为0.2_，矩形金属导体8的两侧分别设有 对称的且半径均为0.5mm的过孔，FR4介质板7的背面设有左右对称的半拱形金属导体10,半 拱形金属导体10的水平下底边与FR4介质板7底边的距离为3mm，该水平下底边的长度为 2mm，半拱形金属导体10的竖直外侧边与FR4介质板7的侧边重合，该竖直外侧边的长度为 11mm，半拱形金属导体10的水平上底边的长度为14mm，半拱形金属导体10的竖直内侧边的 长度为3.2_，竖直内侧边的底端和水平下底边的内侧端通过圆弧过渡，半拱形金属导体10 上设有与矩形金属导体8过孔相对且半径一致的过孔。
[0026] 所述的吸波材料5与金属屏蔽腔3和绝缘介质板2均紧密接触，该吸波材料5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。
[0027] 所述的同轴连接器6安装于绝缘介质板2的背面，其一端与阻抗变换器4的不平衡 输入端电性相连，另一端与超宽带雷达的发射机或接收机相连。
[0028] 图2和3为阻抗变换器的正面和背面结构示意图，如图2-3所示，该阻抗变换器的 FR4介质板7的正面和背面均通过印刷电路板技术印制有金属导体，FR4介质板7的介电常数 为4.4,厚度为1.5mm，长度为38mm，宽度为20mm。对平面偶极子天线按照端口阻抗100 Ω进行 匹配，为了减小天线的体积，便于小型化便携式系统的集成，依据金属屏蔽腔3的高度和微 带及平行双线的阻抗计算公式，按照指数渐变方法设计一个具有紧凑的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，其具体参数如下：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] 如图4所示，为超宽带偶极子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。
[0030]如图5所示，为超宽带偶极子天线的增益曲线图。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。
[0031] 如图6所示，为超宽带偶极子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。
[0032] 综上所述，本实用新型提供的超宽带偶极子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。
[0033]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. 超宽带偶极子天线，其特征在于包括金属辐射臂、绝缘介质板、金属屏蔽腔、阻抗变 换器、吸波材料和同轴连接器，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 臂的横向剖面形状可由如下曲线表示：彡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 以及不平衡到平衡输出特性的微带馈电结构，该阻抗变换器的平衡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，阻抗变换器的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所述的超宽带偶极子天线，其特征在于:所述的金属辐射臂之间预设 的间隔距离为1.5-2.5mm。3. 根据权利要求1所述的超宽带偶极子天线，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所述的超宽带偶极子天线，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，所述金属屏蔽腔的尺寸为:长度100mm，宽度60mm，高度20mm。5. 根据权利要求1所述的超宽带偶极子天线，其特征在于:所述的阻抗变换器为具有1: 2阻抗变换功能以及不平衡50 Ω到100 Ω平衡输出特性的微带馈电结构，该阻抗变换器包括 FR4介质板及通过印刷电路板技术印刷于FR4介质板正面和背面的金属导体，FR4介质板的 介电常数为4.4,厚度为1.5mm，长度为38mm，宽度为20mm，FR4介质板的正面设有上下平行的 带有过孔的矩形金属导体和中间宽两端窄的条状金属导体，条状金属导体的长度与FR4介 质板的长度一致，其两端窄边的长度和宽度分别为IOmm和3mm，中间宽边的长度和宽度分别 为18mm和3.8mm，两端窄边分别连接于中间宽边的中部，两端窄边与FR4介质板底边的距离 为6.6mm，矩形金属导体与条状金属导体中间宽边的长度一致并且该矩形金属导体设置于 条状金属导体中间宽边的正上方，矩形金属导体与条状金属导体中间长边的距离为〇. 2mm， 矩形金属导体的两侧分别设有对称的且半径均为〇.5mm的过孔，FR4介质板的背面设有左右 对称的半拱形金属导体，半拱形金属导体的水平下底边与FR4介质板底边的距离为3mm，该 水平下底边的长度为2mm，半拱形金属导体的竖直外侧边与FR4介质板的侧边重合，该竖直 外侧边的长度为11mm，半拱形金属导体的水平上底边的长度为14mm，半拱形金属导体的竖 直内侧边的长度为3.2_，竖直内侧边的底端和水平下底边的内侧端通过圆弧过渡，半拱形 金属导体上设有与矩形金属导体过孔相对且半径一致的过孔。6. 根据权利要求1所述的超宽带偶极子天线，其特征在于:所述的吸波材料与金属屏蔽 腔和绝缘介质板均紧密接触，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， 电导率为〇.125S/m。7. 根据权利要求1所述的超宽带偶极子天线，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】H01Q1/38GK205646145SQ201620433106
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】李雪萍, 陈凯建, 闫静, 李乔飞, 冉振威
【申请人】河南师范大学