毫米波天线阵列的制作方法

本发明涉及一种毫米波天线阵列。

背景技术：

主动毫米波人体安检系统主要通过近距离的毫米波有源天线阵列对人体划分的上万个甚至十几万个像素点进行快速扫描，获取人体及所携带物品的回波信号，再通过成像软件分析生成精确完整的人体和隐藏物品三维立体图，利用可疑物品检测标示软件实现对隐藏在衣物下危险品的自动检测标示，向安检人员展示成像及标示结果。主动毫米波人体安检系统的物品检测精度达到毫米级，具有成像分辨率高、检测精确、电磁辐射安全等优点。主动毫米波人体安检系统为sar成像体制雷达，信号工作频率越高、瞬时工作带宽越宽引起的天线单元口径越小、天线单元间隔越近，越能获得更高的分辨率和更清晰的图像质量，更容易探测隐藏的身上物品及位置。

目前毫米波有源天线阵列系统在军用雷达、通信、电子对抗等系统中已经得到了广泛应用，通过控制有源天线各通道的幅相变化来改变阵面天线方向图形状、以获得目标的具体信息。对于单通道有源天线，分为接收和发射两部分，发射部分通过外部时序控制将射频信号移相、放大后经天线单元辐射到空间，接收部分将天线单元接收到的射频信号通过放大、移相、衰减后传输给功分网络及接收机。

技术实现要素：

由于有源相控阵天线阵列的每个通道都配装有一个发射/接收组件、且需要配备移相器、衰减器及切换开关，以保证一个组件都能独立发射接收电磁波，导致有源相控阵天线以及雷达的造价昂贵、结构复杂、散热困难、控制复杂、测试数据量大、工程化难度大。

有鉴于此，本发明为主动毫米波人体安检系统提供了一种毫米波天线阵列用于近距离成像，采用收发分置的线性天线阵列，发射、接收天线阵列依次发射、接收宽带线性调频信号，实现对目标的距离向分辨；扫描是指通过时序控制线性阵列开关顺次打开，每次只允许一个天线单元发射线性调频信号，一个接收天线单元接收线性调频信号，其目的是为了减少数据采集所需要的时间，更利于实时成像的实现。该发明可降低传统有源天线设备的复杂度及功耗，减少生产成本，具有高隔离度、高幅相一致性的特点。

根据本发明的第一方面，提供一种毫米波天线阵列，包括：发射/接收天线阵列，该发射/接收天线阵列包括发射天线模块、接收天线模块和馈电网络模块；所述发射天线模块用于向待扫描对象发射毫米波信号，所述接收天线模块用于接收从所述待扫描对象反射回的毫米波信号，所述馈电网络模块将待发射的毫米波信号传送至所述发射天线模块，并且回传所述接收天线模块接收的所述反射回的毫米波信号，其中，所述发射天线模块包括多个发射信号通道和发射切换部，该发射切换部切换所述馈电网络模块的一个输出端口与所述多个发射信号通道之间的连接，并且所述接收天线模块包括多个接收信号通道和接收切换部，该接收切换部切换所述馈电网络模块的一个输入端口与所述多个接收信号通道之间的连接。

优选地，所述发射切换部进行切换，使得从所述馈电网络模块的所述一个输出端口输出的毫米波信号经由所述发射切换部依次被分配至所述多个发射信号通道，并且所述接收切换部进行切换，使得从所述多个接收信号通道接收到的毫米波信号经由所述接收切换部依次输入到所述馈电网络模块的所述一个输入端口。

优选地，所述发射切换部具有发射侧放大器，所述多个发射信号通道共用所述发射侧放大器；并且所述接收切换部具有接收侧放大器，所述多个接收信号通道共用所述接收侧放大器。

优选地，所述发射天线模块还包括与所述多个发射信号通道分别连接的多个发射天线，并且所述接收天线模块还包括与所述多个接收信号通道分别连接的多个接收天线。

优选地，所述发射/接收天线阵列包括多个所述发射天线模块和多个所述接收天线模块，并且所述馈电网络模块进行与各所述发射天线模块的连接的切换，以及进行与各所述接收天线模块的连接的切换。

优选地，所述发射切换部和所述接收切换部包括单刀4掷开关(sp4t)。

优选地，所述发射天线和所述接收天线为角锥喇叭天线。

优选地，所述多个接收天线中的一个接收天线对应于所述多个发射天线中的两个发射天线。

优选地，所述发射天线和所述接收天线采用微带线进行馈电。

优选地，所述发射天线和所述接收天线的长度在1至3m的范围内，所述发射天线和所述接收天线到中心的间距在0.3至0.7m的范围内。

发明的有益效果

本发明根据毫米波人体安检系统近距离三维成像的特点，提供一种毫米波天线阵列，天线阵列具有收发分置，其内部公用毫米波放大器和开关分时切换工作，并且省去各个通道移相器和衰减器的设计，具有高隔离度、高幅相一致性的特点，可降低传统有源天线设备的复杂度及功耗，减少生产成本，适用于批量生产、符合民用要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，但其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1图示出根据本发明的实施例的毫米波天线阵列。

图2图示出根据本发明的实施例的毫米波天线扫描系统。

图3为单个发射天线模块及单个接收天线模块的具体实例框图。

参考标号列表

1：毫米波天线阵列

2：毫米波信号源

3：扫描对象

4：后级接收机

10：馈电网络模块

20：发射天线阵列

40：接收天线阵列

21至36：发射天线模块

41至56：接收天线模块

200：发射切换部

201至216：发射信号通道

221至236：发射天线单元

400：接收切换部

401至416：接收信号通道

421至436：接收天线单元

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。

结合图1-3说明本发明的毫米波天线阵列和毫米波天线扫描系统。图1图示出根据本发明的实施例的毫米波天线阵列。图2图示出根据本发明的实施例的毫米波天线扫描系统。图3为单个发射天线模块及单个接收天线模块的具体实例框图。

本发明的毫米波天线阵列和毫米波天线扫描系统应用于人体安检系统。本发明的毫米波天线扫描系统如图1所示，毫米波天线扫描系统包括毫米波信号源2和连接于毫米波信号源2的毫米波天线阵列1，毫米波信号源2将毫米波信号发送至毫米波天线阵列1。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，毫米波天线阵列1包括16个发射天线模块21至36、16个接收天线模块41至56和馈电网络模块10。馈电网络模块10将毫米波信号分别传送至16个发射天线模块21至36，并且从16个接收天线模块41至56分别接收毫米波信号。发射天线模块21至36中的每个模块均包括16个发射信号通道201至216和发射切换部200。发射切换部200切换馈电网络模块10的一个输出端口与16个发射信号通道之间的连接。接收天线模块41至56中的每个模块均包括16个接收信号通道401至416和接收切换部400，该接收切换部400切换馈电网络模块10的一个输入端口与16个接收信号通道401至416之间的连接。

如图1所示，发射天线模块21至36中的每一个还包括发射天线单元221至236，接收天线模块41至56中的每一个还包括接收天线单元421至436。即，每个接收天线模块包括16个接收信号通道和16个接收天线单元，每个发射天线模块包括16个发射信号通道和16个发射天线单元。各发射信号通道201至216和各接收信号通道401至416工作时采用时分复用方法。为进一步降低模块乃至系统成本，收发模块在满足系统指标的前提下，采用放大器公用形式和开关分时切换工作；并省去各个通道移相器和衰减器的设计，通过前期的硬件设计保证和后期的软件采样补偿来保证天线阵列幅相信息的一致性，以进一步压缩成本。

图2图示出根据本发明的实施例的毫米波天线扫描系统。如图2所示，在本发明的实施例中，毫米波天线扫描系统包括2套接收/发射天线阵列，其中，包括发射天线模块的发射天线阵列20和包括接收天线模块的接收天线阵列40在竖直方向上布置，并且包括发射天线阵列20和接收天线阵列40的毫米波天线阵列1在围绕扫描对象3的周向方向上移动的同时，通过发射切换部200的切换和接收切换部400的切换，毫米波天线阵列1在所述竖直方向上对扫描对象3进行扫描。因此，将天线阵列在周向方向(方位向)上利用机械方法旋转从而进行机械扫描，而在竖直方向(高度向)上用宽带毫米波线性调频信号来完成电扫描，实现了具有机械扫描和电扫描的混合扫描，从而进一步降低了成本并简化了结构。

馈电网络模块10完成发射和接收毫米波信号的16个发射天线模块和16个接收天线模块的切换，并对毫米波信号进行调理。在本发明中，有源发射天线阵列向人体发射毫米波信号，接收天线阵列接收人体反射回来的回波信号，馈电网络10将毫米波信号源(频率源)2的毫米波线性调频信号传输到发射天线阵列20、将接收天线阵列30的回波信号传输给后级接收机4，并对天线阵列进行加电控制。此外，接收天线模块还具有对返回的毫米波射频信号进行低噪声放大、滤波、调理等处理功能。

图3为单个发射天线模块及单个接收天线模块的具体实例框图。以发射天线模块21为例，输入信号经单刀4掷开关(sp4t)阵列切换，最后分时输出16路毫米波信号作为每一个天线单元的输入信号，其中每4路发射信号通道公用一个放大器。图3所示的实例中的接收天线模块41的信号走向与发射天线模块21相反，电路结构与其类似。

主动毫米波人体安检系统在实际使用过程中，为了可以对人体腋下的部分进行检测，要求被检人在测试时双手举过头顶，因此，在高度维天线阵列的高度应高于人体的头部区域，根据普通人的身高和举手半径估算天线的长度和天线到中心的间距。在本发明的实施例中，天线长度优选为1至3m，进一步优选为2m；天线到中心间距优选为0.3至0.7m，进一步优选为0.55m。

本发明的毫米波天线扫描系统的波段可以选择厘米波、8毫米波、3毫米波段。频段越高，在相对带宽一定的条件下，越容易获得大的绝对带宽，进而越容易获得高的距离分辨；同时频段越高越容易获得高的方位和距离分辨率。由于目前w以及更高频段，硬件实现成本相对较高，或技术成熟度尚不能满足工程化要求。在本发明中，优选工作在ka波段，工作频率优选为30ghz到40ghz。

本发明中的发射天线和接收天线的形式可以选择微带天线、波导缝隙天线、偶极子或者喇叭口天线。由于天线单元间距近、收发通道数量多，天线单元相互之间的隔离度太差会引入临近通道的假信号干扰，最终会影响人体成像结果的能量分布，造成检测系统判定错误为危险品、影响检测精度。为提高天线单元之间的隔离度和根据成像系统要求，本发明的实施例选择了收发隔离度＞50db的角锥喇叭天线作为天线辐射单元。为了使天线单元能与接收和发射电气组件一体化集成设计，本发明的喇叭天线优选采用微带线进行馈电。

在本发明的实施例中，发射和接收天线单元的长和宽优选为1个波长λ。本发明实施例的天线单元间隔优选为7mm至10mm之间，进一步优选为8mm。单个接收或发射模块包括16个天线单元，最终选择16个接收或发射模块组成天线阵列。因此，在本发明的实施例中，天线阵列的发射和接收天线单元个数为256个。

在本发明中，每个天线分别采用两个周期的工作模式，并且如图2中的实例所示，发射天线阵列20中的天线单元与接收天线阵列40中的天线单元在竖直方向上错位安装。在系统工作时，采用第一个发射天线单元发射，第一个接收天线单元接收；第二个发射天线单元发射，第一个接收天线单元接收；第二个发射天线单元发射，第二个接收天线单元接收；第三个发射天线单元发射，第二个接收天线单元接收并以此类推的工作模式。因此，一个接收天线单元对应于两个发射天线单元，从而保证了高度向的采样率，并且减少了产品设计成本。

由于收发模块尺寸小、通道多，且开关供电控制类信号较多，印制板进行单通道独立设计较为困难，因此采用通道一体化设计，即将16个通道控制电路设计在一块多层环氧印制板上，16个通道微波电路与16个喇叭天线馈源共同设计在一张单层罗杰斯高频板上，然后通过一体化烧到金属壳体上。采用通道一体化设计，大大简化了收发模块结构设计，通腔设计易于加工，加工成本较低；多通道印制板的一体化设计，简化通道间的级联装配、接线，将以往设计的十几块小印制板装配变为整板一次装配，提高了生产效率，利于批量生产，也减小了多印制板装配过程对通道间一致性的影响，提高了幅相一致性。

本发明根据毫米波人体安检系统近距离三维成像的特点，提供一种一种毫米波天线阵列，天线阵列具有收发分置，其内部公用毫米波放大器和开关分时切换工作，并且省去各个通道移相器和衰减器的设计，具有高隔离度、高幅相一致性的特点，可降低传统有源天线设备的复杂度及功耗，减少生产成本，适用于批量生产、符合民用要求。

在本发明的上述实施例中，发射天线模块、接收天线模块、发射信号通道、接收信号通道、发射天线单元、接收天线单元的数量均为16个，但数量不限于16个，发射天线模块和接收天线模块的数量可以是1个以上，发射信号通道、接收信号通道、发射天线单元、接收天线单元的数量可以是2个以上。在本发明的实施例中，毫米波天线扫描系统包括2套接收/发射天线阵列，然而，可以包括仅1套或者3套以上的接收/发射天线阵列。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。以上示例性实施例仅仅是用于阐明本发明的原理，而并非用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员在不背离本发明所揭示的精神和原理的范围内，可以对本发明做出各种改进，而不会超出由权利要求书限定的范围。