一种用于雷达流水计的屏蔽结构的制作方法

本发明涉及微波测量
技术领域：
，具体而言涉及一种用于雷达流水计的屏蔽结构。
背景技术：
：现有雷达水流计通常只能够单独的测量水流流速或单独的测量水面高度，为同时对水体的流速和水量进行检测，通常需要设置多个不同供能的测量装置，因而成本较高。此外，传统的测水流水位的雷达一般安装在横杆上，该横杠通常需要水平的固定在河流的桥上或者将其一端通过深埋在河道堤岸边的立柱进行固定。测量时，需要保证水流计所设置的横杆能够水平伸到河面上方，使得该水流计中雷达所发射的雷达波束垂直的照射到水平面。这种安装结构实际使用中容易遇到各种环境限制，影响测量装置的安装效果，甚至无法安装测量装置，无法实现自动化的水体状态检测。尤其在河道没有桥梁或者河道斜坡过大等特殊情况下，由于河道斜坡过大时立柱无法固定，而原先用于固定测量装置的横杠又无法连接至挑梁上实现安装，因此，这种情况下通常只能通过人工方式进行测量。人工方式成本高并且测量误差较大。技术实现要素：本发明针对现有技术的不足，提供一种用于雷达流水计的屏蔽结构，本发明通过对雷达流水计屏蔽结构的设计，使得雷达流水计中的基带电路更少受到干扰，提高其对雷达信号的接收灵敏度进而通过单独设置在水体一侧的一个装置就能够同时获得水体的流速和水位信息，安装简便，并且能够保证较高的测量精度。本发明具体采用如下技术方案。首先，为实现上述目的，提出一种用于雷达流水计的屏蔽结构，所述雷达流水计包括有雷达主体和基带电路，其中，所述基带电路设置在所述雷达主体的背面，所述屏蔽结构包括：金属隔板，设置在所述雷达主体和基带电路之间；信号隔离罩，包括侧壁和上盖，所述侧壁包围所述基带电路，相对所述雷达主体设置在所述金属隔板上与所述基带电路相同的一侧，所述上盖设置在所述信号隔离罩的侧壁上，所述上盖与所述侧壁的端面连接固定，封闭所述基带电路，隔离所述基带电路以外的电磁波干扰信号。可选的，上述用于雷达流水计的屏蔽结构，其中，基带电路与所述金属隔板之间还设置有pcb板材，所述pcb板材上对应所述信号隔离罩侧壁的位置设置有金属覆层，所述金属覆层的尺寸与所述信号隔离罩的侧壁的尺寸一致。可选的，上述用于雷达流水计的屏蔽结构，其中，所述信号隔离罩的侧壁以及所述pcb板材上金属覆层内还分别开设有相互对应的通孔，所述通孔由螺栓穿过，将所述侧壁底部紧密抵接并固定于所述金属覆层的表面。可选的，上述用于雷达流水计的屏蔽结构，其中，金属隔板接地，所述螺栓为金属材质，所述螺栓的一端与所述金属隔离板连接固定，所述通孔的内壁覆盖有金属，所述通孔、信号隔离罩以及所述金属覆层均通过所述螺栓连接至金属隔板接地。可选的，上述用于雷达流水计的屏蔽结构，其中，所述信号隔离罩为铝材质，其侧壁和上盖一体设置或由金属螺栓贯穿而固定连接。可选的，上述用于雷达流水计的屏蔽结构，其中，所述金属覆层的宽度超出所述信号隔离罩的侧壁的厚度至少2mm。可选的，上述用于雷达流水计的屏蔽结构，其中，所述pcb板材由rogers4350b板材制成。可选的，上述用于雷达流水计的屏蔽结构，其中，所述金属隔板以及所述金属覆层均为铜材质，其厚度不少于1mm可选的，上述用于雷达流水计的屏蔽结构，其中，所述金属覆层还设置有匹配所述信号隔离罩的侧壁的厚度的凹槽，所述信号隔离罩嵌入所述凹槽固定。有益效果本发明通过金属隔板以及信号隔离罩之间的配合，能够将雷达流水计的基带电路封闭在金属材质的屏蔽腔体内，屏蔽雷达射频信号的干扰以及外界信号的干扰。由此，本发明能够使得雷达流水计中基带电路干扰更少，使其更为灵敏的接收包含有水体的流速和水位的雷达反射信号。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。附图说明附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是本发明的雷达流水计的测量方式的示意图；图2是本发明的雷达流水计的整体结构的爆炸图；图3是本发明的雷达流水计中雷达主体结构的示意图；图4是本发明的雷达主体中一个天线阵元及其与长馈线的连接关系的示意图；图5是本发明的雷达主体中一条中心馈线所连接的部分长馈线以及相应天线阵元的示意图；图6是本发明的雷达流水计中雷达主体结构的波瓣图；图7是本发明的雷达流水计中信号隔离罩与其他电路部件之间连接关系的示意图。图中，1表示雷达主体；2表示长馈线；21表示中心馈线；22表示导线过孔；3表示介质板；4表示金属隔板；5表示安装固定座；6支撑杆；7表示信号处理单元；8表示信号隔离罩。具体实施方式为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本
技术领域：
技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。图1为根据本发明的一种雷达流水计，其设置在水体侧边的立柱上，包括：雷达主体1，其正侧排列有多个天线阵元，用于向水面发射电磁波信号，并接收水面反射回来的电磁波信号；其背侧设置有金属隔板4，所述金属隔板4接地以提供基准电平信号；信号处理单元7，其与所述雷达主体1相对，设置在所述金属隔板4的另一侧，与所述雷达主体1之间电连接，用于按照设定的时间间隔向所述雷达主体1输出驱动信号驱动所述雷达主体1向水面发射电磁波信号，还用于处理所述水面反射回来的电磁波信号，根据发射和接收的所述电磁波信号计算出水流速度以及水位高度；信号隔离罩8，其为一个配合所述信号处理单元电路结构的金属罩壳，所述信号隔离罩8包围所述信号处理单元，相对所述雷达主体1设置在所述金属隔板4的另一侧，隔离所述信号处理单元以外的电磁波干扰信号；参考图2以及图7所示，所述的信号隔离罩8的边缘通过螺栓连接至信号处理单元7所设置的pcb板材上，为进一步降低干扰，所述图7中的pcb板材上对应信号隔离罩8侧壁的位置还布设有接地的铜线，由此，信号隔离罩8获得接地的基准电平，能够有效降低外界或雷达主体1信号对其内部信号处理单元中各电路部件的干扰；上述的各个结构还通过安装固定座5固定至水面旁的支撑结构以上。这里，安装所述雷达流水计的支撑结构可简单的设置为位于水面一侧的立柱、水面旁边的树木，或者水面上的桥梁建筑等。其具体形式和固定位置不限，只要能够调节所述流水计中的雷达主体1使其发射的微波信号指向水面即可。在一种实现方式下，参考图3，上述雷达主体1包括：介质板3，可选择厚度为0.254mm的rogers4350b板材，其中心位置贯穿有其正侧表面和背侧表面的导线过孔22，以所述导线过孔22为中心，所述介质板3的正侧表面平行于其宽度方设置有中心馈线21，所述介质板3的正侧表面垂直于所述中心馈线21还对称的排列有多条长馈线2；图4所示的天线阵元，其在所述介质板3的正侧表面沿所述长馈线2均匀的排列有多个，各所述天线阵元的长度均为各所述天线阵元的宽长度均为其中，λ表示所述雷达主体1的工作波长，c0表示光速，fr表示雷达主体1的工作频率，∈r表示介质板3的介电常数，d表示所述介质板的厚度；金属隔板4，贴合所述介质板3的背侧表面，为接地的金属板，所述金属板的中心位置设有空隙，供导线穿过所述导线过孔22而不与所述金属板接触。参考图4以及图5所示，上述介质板上，所述长馈线2上接近各所述天线阵元的位置，以及所述中心馈线21上接近各所述长馈线2的连接位置还分别设置有1/4阻抗变换结构，各所述1/4阻抗变换结构分别包括至少一个长度为1/4雷达主体1的工作波长λ的设置的台阶，所述台阶沿所述长馈线2或所述中心馈线21设置，所述台阶的宽度根据100欧姆匹配的要求设计，使得采用切比雪夫多项式系数通过各1/4阻抗变换结构对各所述天线阵元进行激励电流分配时，所述雷达主体1整体的波瓣图中各个旁瓣的辐射强度均在设定范围以内，并且,其中所述雷达主体1沿所述水流速度方向的波束范围大于垂直水流速度方向的波束范围。在较为优选的方式下，为保证对信号处理单元7及其外围电路所构成的基带电路的隔离效果，本发明进一步设置有图2以及图7所示的屏蔽结构。包括：金属隔板4，设置在所述雷达主体1和基带电路之间；信号隔离罩8，包括侧壁和上盖，所述侧壁包围所述基带电路，相对所述雷达主体1设置在所述金属隔板4上与所述基带电路相同的一侧，所述上盖设置在所述信号隔离罩8的侧壁上，所述上盖与所述侧壁的端面连接固定，封闭所述基带电路，隔离所述基带电路以外的电磁波干扰信号。其中，基带电路中各元件设置在pcb板上的一面，pcb板的另一面贴合所述金属隔板4设置。参考图7所示，所述pcb板材上、设置基带电路元件的一面上，对应所述信号隔离罩8侧壁的位置设置有金属覆层，所述金属覆层的尺寸与所述信号隔离罩8的侧壁的尺寸一致，或略宽于侧壁厚度。进一步，为提升信号隔离罩8接口处对射频信号的隔离度，所述信号隔离罩8的侧壁以及所述pcb板材上金属覆层内还可进一步分别开设有相互对应的通孔，所述通孔由螺栓穿过，将所述侧壁底部紧密抵接并固定于所述金属覆层的表面。尤其，可设置螺栓为金属材质。这样，设置金属隔板4接地，可进一步设置所述螺栓的一端与所述金属隔离板连接固定，设置安装螺栓的所述通孔的内壁为覆盖有金属。这样，所述通孔、信号隔离罩以及所述金属覆层均通过所述螺栓连接至金属隔板4接地，从而进一步将基带电路整体设置在接地的屏蔽护罩内，进一步的将金属隔离罩设置接地，能够进一步降低隔离罩表面趋肤效应所造成的信号干扰。在较为优选的实现方式下，为保证整体流水计轻便，可设置所述信号隔离罩8为铝材质，设置其侧壁和上盖一体设置或由金属螺栓贯穿而固定连接。并进一步设置所述金属覆层的宽度超出所述信号隔离罩8的侧壁的厚度至少2mm，在所述金属覆层中部设置匹配所述信号隔离罩8的侧壁的厚度的凹槽，将所述信号隔离罩8嵌入所述凹槽固定，通过凹槽的侧壁进一步阻隔由接口处进入基带电路的信号。上述结构中，为保证金属结构的屏蔽效果，可设置所述金属隔板4以及所述金属覆层均为铜材质，其厚度不少于1mm。该雷达主体1采用微带阵列天线方式，通过采用一发两收的结构，发射的电磁波经河面发射，由两个接收天线接收，经模数采样后得到正交的i/q数据，再经过信号处理电路，得到河水的流速以及水位信息。发射与接收采用相同的阵列结构，阵列结构采用多个天线阵元构成多行多列的阵列结构，所有天线阵元采用相同结构与尺寸，通过馈电导线相连接。如图天线由4排14个振子组成的阵列结构，每排的阵列相互平行，每个阵元呈等间距排布。中心馈线的中间部分为天线的导线过孔，中心馈线的两边的阵元和导线呈对称结构。介质板正面为天线辐射器，背面接地，馈电功分网络在设计的基础上经过电磁仿真软件进一步优化，从而对振子的能量分配达到较好的旁瓣抑制效果。天线所采用的rogers4350b这种高频材料拥有极低的介电常数和介质损耗，以及电气性能随频率变化微小的性能，使得天线具有非常优秀的性能和极小的损耗。铜箔厚度选取1oz。图4中所示的天线阵元，采用24g频率，板材介电常数3.66～3.7，板厚0.254mm。其中，其中，c0表示光速，fr表示雷达主体1的工作频率，∈r表示介质板3的介电常数，d表示所述介质板的厚度。根据上述公式计算得到阵元的大致尺寸之后，再利用hfss和ads等电磁仿真软件进行优化，得到单元尺寸l＝3.7mm，w＝2.9mm时，天线具有较好的性能。其中，振子与馈电导线阻抗均按照100欧姆设计，采用切比雪夫多项式系数对阵列单元进行激励电流的分配，通过1/4阻抗变换器实现电流分配，使得阵列天线的各个旁瓣能够控制在同一水平，从而获得较好的旁瓣抑制。上述振子与馈线所组成的雷达主体1在经过上述的设计和计算所对应的步骤101后，按照如下的步骤制造获得：步骤102，在介质板3的中心位置设置贯穿其正侧表面和背侧表面的导线过孔22；步骤103，以所述导线过孔22为中心，在所述介质板3的正侧表面平行于其宽度方设置中心馈线21，在所述介质板3的正侧表面垂直于所述中心馈线21的方向均匀的对称的设置多排相互平行的长馈线2，沿所述长馈线2将所述各个天线阵元均匀排列在所述的介质板3的正侧表面，按照上述结构对所述介质板3的正侧表面进行加工；步骤104，贴合所述介质板3的背侧表面设置一块金属板为金属隔板4，所述为金属隔板4接地并且至少达到所述介质板3的面积；步骤105，将导线穿过所述导线过孔22，将导线的一端连接所述导线过孔22附近的中心馈线21和/或所述长馈线2，将所述导线的另一端引入信号隔离罩8内部连接所述信号处理单元7。其中，所述金属板的中心位置与所述导线过孔22之间还设有空隙，所述导线穿过所述导线过孔22而不与所述金属板电接触。图5所示的局部结构中，该结构在水平方向包括由14个单元合成的一个阵列，左右结构对称，具有相同的阵元和馈线结构。其中，在长馈线2上接近各所述天线阵元的位置、以及所述中心馈线21上接近各所述长馈线2的连接位置，还分别设置有1/4阻抗变换结构，各所述1/4阻抗变换结构分别包括至少一个长度为1/4雷达主体1的工作波长λ的台阶，所述台阶沿所述长馈线2或所述中心馈线21设置，以使得所述阵元配合所述台阶的宽度实现100欧姆的阻抗匹配。采用切比雪夫多项式系数进行电流分配计算，然后用1/4阻抗变换器进行阻抗匹配和电流分配时，所述雷达主体1整体的波瓣图中各个旁瓣的辐射强度均在10db以内，并且,其中所述雷达主体1沿所述水流速度方向的波束范围大于垂直水流速度方向的波束范围。由于所以对称结构中7个单元振子的每一级都具有不同的电流分配比，所以其等效阻抗变换器也分别具有不同的尺寸。根据理论计算出初值后再经过hfss优化得到图5所示结构中的最佳尺寸如下表(单位：mm)表1雷达主体1尺寸a1a2a3a4a5a6a7b1b2b31.380.930.251.120.60.870.60.540.2550.64b4b5b6b7b8b9b10b11b12b130.440.530.30.430.190.340.10.340.10.19wl3.62.9该结构所获得的天线的波瓣参数参考图6所示。其中，24.125g频点处，天线增益约为25db，虚线为h面方向图，可以看到h面的3db宽度约为11°，第一副瓣电平约为-17db，e面的3db宽度为7°，第一副瓣电平约为-21db，所述雷达主体1整体的波瓣图中各个旁瓣的辐射强度均在10db以内，达到设计要求。由此，本发明通过安装固定座5调节雷达波束的角度，支撑按安装在堤岸上雷达波束能够照射到河面的区域。将所述雷达主体1的波束在其传播方向上设置为沿水流方向上下较宽，垂直水流方向左右较窄，这样在满足系统应用需求的同时，能够让电磁波的能量尽量集中在一个狭长的沿水流方向的椭圆椎内，可以有效地降低系统的功率，同时容易准确获得水流方向的多普勒频移分量。安装时，将雷达表面对准雷达当前位置的河流横截面的上游或者下游位置，最好控制雷达波束落在河面的中心位置，这样雷达波束与河水流向、雷达波束与河水平面均有一定的夹角，在30°～60°范围内均可以使系统发挥最佳的性能。这种实现方式下，由同一个所述雷达主体1向水面发射频率为f的电磁波信号，由该雷达主体1同时接收所述水面反射回来的电磁波信号；该电磁波信号经过所述信号处理单元中所包含的模数转化模块，各所述雷达主体1所接收的电磁波信号与所述雷达流水计的本振信号进行混频，取混频后的下变频信号得到发射频率f与接收的电磁波信号之间的差频，将该差频信号经所述模数转化模块转化后分别获得相互正交的i/q数据，所述信号处理单元对所述相互正交的i/q数据进行时域到频域的转换获得下变频的频率变化量，即，频差，δf，由此计算获得：所述雷达主体1到所述水面的反射点之间ab方向上的距离其中，k表示频率变化斜率；将多次频率变化斜坡相同位置的数据，即，将连续多次发射周期内相同采样位置的数据，即，多次频率变化斜率曲线相同位置(斜坡ramp)的数据，做时域-频域变换，得到目标的多普勒频率获得目标多普勒频率fd，或者，获取多次频率变化斜坡相同位置的数据所对应的频率，即为目标多普勒频率；计算获得所述水面的反射点向所述雷达主体1移动的速度其中，fz表示本振信号的频率；根据所述雷达主体1中多个天线阵元之间接收的电磁波信号之间的相位差计算所述水面的反射点的目标角度θ，其中，λ表示所述雷达主体1的工作波长，d表示各天线阵元之间的间距。由于雷达微波信号的波束在垂直于水流的水平方向呈窄波束，但是在水平面的垂直方向呈宽波束。对于所测到的水面目标，可以认为目标都分布在沿雷达传播方向的水面，且沿直线分布。目标的反射波由接收天线接收，经过模数转换器采集到的数据经过快速傅里叶变换得到目标b的频域数据并通过求得目标b相对于雷达a的距离lab，两个天线阵元之间接收数据包含了波束传播的相位信息，将相应数据进行波束合成可得到目标相对于雷达与波束中心连线的角度θ，而雷达的安装角α，是雷达波束中心与垂直方向的夹角，由初始安装决定，在初始定标时雷达相对于水平面高度为h的情况，当水面高度发生变化时，由测得的目标b的距离和角度，可计算出当前雷达到水面的高度h'h′＝lab·cos(α+θ)水位相对变化高度：δh＝h′-h＝lab·cos(α+θ)-h在测量水位变化的同时，上述计算过程所使用的信号处理单元还可以并行进行或者向后进行水流速度的计算。水流流速的计算过程中，参照图1所示，d是雷达a在河水基准平面上的投影，β是雷达中心波束在河面上的投影与河道横截面的夹角，当河水具有一个速度v的时候，其在雷达与探测目标的波束传播方向ab上会具有一个速度分量，这就使得雷达接收到的回波与发射波形相比具有一个频率变化量fd，即多普勒频率，根据该频率变化量fd计算出河水流速在ba方向的速度vba＝(c0·fd·l_ab)/(f·h·tan(α+θ)·sinβ)。河水流速v在bd方向上的分量为：vbd＝v·cos(90°-β)河水流速在ba方向上的分量为：vba＝vbd·cos(90°-α-θ)所以可以得到河水的流速为：由此，本发明通过斜测的方法，能够同时得到水流的速度和液面高度h′＝lab·cos(α+θ)。其中，c0为光速,(α+θ)为水面的测量点与雷达主体1高度方向的夹角，β为水面的测量点与垂直于水流的方向的夹角,fz为雷达本振信号频率。本发明能够通过单雷达方案实现，不需要加装其他模块，不需要雷达垂直照射到水平面，也不需要正对水流方向。安装便利，角度任意，结构简单，低成本，可用于各种常规和非常规环境。本设计对安装没有特殊要求，且结构简单，可以应用于各种需要的应用场合。本设计利用单雷达实现了流速及水位两者的测量，二合一的功能让让系统结构能够更加轻便合理。以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。当前第1页12