CN106299666A - 一种电阻加载超宽带平面半椭圆天线 - Google Patents

一种电阻加载超宽带平面半椭圆天线 Download PDF

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王立
詹华伟
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    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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Abstract

本发明公开了一种电阻加载超宽带平面半椭圆天线，金属屏蔽腔为前端开口的长方形低反射腔，绝缘介质板固定于金属屏蔽腔的前端开口处，半椭圆金属辐射臂对称印制于绝缘介质板的正面，半椭圆金属辐射臂之间预设有间隔，邻近间隔的两个半椭圆金属辐射臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，加载电阻对称焊接于半椭圆金属辐射臂底边与金属屏蔽腔侧板之间，馈电单元为搭载商用传输线变压器的FR4介质板，传输线变压器平衡输出端分别与半椭圆金属辐射臂连接，同轴连接器一端与传输线变压器微带输入端焊接，同轴连接器另一端与生命探测雷达***的发射机和接收机连接。本发明具有良好的宽频带特性和时域辐射特性，并且结构紧凑、馈电方式简单。

Description

一种电阻加载超宽带平面半椭圆天线
技术领域
本发明属于超宽带成像雷达天线技术领域，具体涉及一种电阻加载超宽带平面半椭圆天线。
背景技术
近年来，国内外各种重大自然灾害和人为事故时有发生，造成了大量人员伤亡。尤其是在高楼密布、管道及线路交错纵横的人口密集城市，如何在灾后有效开展生命救助探测与定位，提高救援效率一直是一个比较关键的问题。超宽带雷达作为一种非接触式实时成像雷达***，可以穿透钢筋混凝土砖墙、柏油层、泥石流和雪崩造成的积雪等障碍物进行探测及成像，因而受到社会各界的广泛关注。
天线作为雷达***中一个至关重要的组成部分，其性能的好坏直接影响着整个探测***性能的优劣。由于灾害事故现场环境复杂，目标不可触及，同时受限于背景噪音和障碍物对电磁波的衰减与散射影响，超宽带探测雷达***对天线的性能要求较高。为了抑制辐射波形拖尾以及减小直耦波对浅层目标的掩盖，需要研制出时域辐射特性良好的天线以满足***要求。
目前应用于超宽带探测雷达***的天线主要是平面偶极子天线，尤以蝶形天线及其变形结构为主。虽然蝶形天线具有频带宽、辐射特性好、制作简单和成本低廉等优点，但采用矩形屏蔽腔和电阻加载设计的蝶形天线输入阻抗一般在200Ω左右，这对于工作在高频段上的超宽带蝶形天线与发射机之间的阻抗匹配是比较困难的，其体积尺寸不利于***集成，带宽以及阻抗变换比均成为馈电结构设计的难点，因此设计一种既具有平面偶极子天线特性，又具有比较低且平滑的输入阻抗和较小横向尺寸的天线十分必要。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种结构紧凑且馈电方式简单的能够应用于生命探测雷达***的电阻加载超宽带平面半椭圆天线。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种电阻加载超宽带平面半椭圆天线，其特征在于包括绝缘介质板、两个半椭圆金属辐射臂、金属屏蔽腔、六个加载电阻、吸波材料、馈电单元和同轴连接器，其中金属屏蔽腔为前端开口的长方形低反射腔，用于屏蔽后向辐射和抑制外界干扰，绝缘介质板固定于金属屏蔽腔的前端开口处，两个半椭圆金属辐射臂通过电路板印制技术对称印制于绝缘介质板的正面构成平面偶极子超宽带天线，该两个半椭圆金属辐射臂的椭圆端相对并且半椭圆金属辐射臂的底边与绝缘介质板的侧边平行，半椭圆金属辐射臂的长度l取值遵循如下关系：其中λl为低频截止频率对应的自由空间波长，εeff为所采用的绝缘介质板有效相对介电常数，两个半椭圆金属辐射臂之间预设有间隔，邻近间隔的两个半椭圆金属辐射臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，六个加载电阻对称焊接于半椭圆金属辐射臂底边与金属屏蔽腔侧板之间，且同一侧的三个加载电阻等间距排列，馈电单元为搭载商用传输线变压器的FR4介质板，用于实现1:2阻抗变换及不平衡到平衡转换，该馈电单元中传输线变压器平衡输出端分别与两个半椭圆金属辐射臂相连接，用于实现100Ω阻抗匹配，同轴连接器的一端与馈电单元中传输线变压器微带输入端相焊接，同轴连接器的另一端与生命探测雷达***的发射机和接收机直接相连接，吸波材料填充于整个金属屏蔽腔内部，用于削弱金属屏蔽腔的谐振效应。
进一步优选，所述半椭圆金属辐射臂之间预设的间隔距离为2mm。
进一步优选，所述绝缘介质板为环氧树脂玻璃纤维布层压板，其介电常数为4.4，厚度为1mm，尺寸为400mm×200mm。
进一步优选，所述金属屏蔽腔的材质为铝制材料，其高度为51mm。
进一步优选，所述吸波材料为多层聚氨酯泡沫，相对介电常数为2.2，电导率为0.125S/m。
进一步优选，所述馈电单元为搭载有1:2阻抗变换以及不平衡到平衡转换的商用传输线变压器的FR4介质板，其尺寸由选择的商用传输线变压器所决定，所述FR4介质板按照双面印刷电路板技术印制，传输线变压器印制于FR4介质板上，该传输线变压器平衡输出端印制有100Ω的平行双线，用于匹配连接两个半椭圆金属辐射臂，传输线变压器微带输入端印制有50Ω的微带线，用于焊接同轴连接器。
本发明的电阻加载超宽带平面半椭圆天线集成于一个生命探测成像雷达***中，该天线由一个对称半椭圆偶极子组成，末端采用电阻加载的方式，具有良好的宽频带特性，其横向尺寸较小且馈电方式紧凑，有利于满足天线带宽内的阻抗匹配要求和天线的集成以及规模化生产，天线安装于长方形金属低屏蔽腔的开口处，并填充有吸波材料，达到了屏蔽后向辐射与抑制外界干扰的目的，能够满足生命探测雷达***的定向性要求和工程需要。
附图说明
图1是本发明的平面结构示意图；
图2是本发明的立体结构示意图；
图3是本发明中搭载1:2传输线变压器的FR4介质板印制图；
图4是本发明的输入阻抗曲线；
图5是本发明应用于墙体后人体呼吸频率探测测试的B-scan图。
图中：1、绝缘介质板，2、半椭圆金属辐射臂，3、金属屏蔽腔，4、加载电阻，5、搭载商用传输线变压器的FR4介质板，6、传输线变压器平衡输出端，7、传输线变压器微带输入端。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的具体内容。图1为一种电阻加载超宽带平面半椭圆天线平面结构示意图，如图1所示，该电阻加载超宽带平面半椭圆天线包括绝缘介质板1、两个半椭圆金属辐射臂2、金属屏蔽腔3、六个加载电阻4、吸波材料、馈电单元和同轴连接器，其中金属屏蔽腔3为前端开口的长方形低反射腔，用于屏蔽后向辐射和抑制外界干扰，绝缘介质板1固定于金属屏蔽腔3的前端开口处，两个半椭圆金属辐射臂2通过电路板印制技术对称印制于绝缘介质板1的正面构成平面偶极子超宽带天线，该两个半椭圆金属辐射臂2的椭圆端相对并且半椭圆金属辐射臂2的底边与绝缘介质板1的侧边平行，半椭圆金属辐射臂2的长度l取值遵循如下关系：其中λl为低频截止频率对应的自由空间波长，εeff为所采用的绝缘介质板1有效相对介电常数，两个半椭圆金属辐射臂2之间预设有间隔，邻近间隔的两个半椭圆金属辐射臂2上分别设有输入端口作为各自的馈电端，六个加载电阻4对称焊接于半椭圆金属辐射臂2底边与金属屏蔽腔3侧板之间，且同一侧的三个加载电阻4等间距排列，馈电单元为搭载商用传输线变压器的FR4介质板5，用于实现1:2阻抗变换及不平衡到平衡转换，该馈电单元中传输线变压器平衡输出端6分别与两个半椭圆金属辐射臂2相连接，用于实现100Ω阻抗匹配，同轴连接器的一端与馈电单元中传输线变压器微带输入端7相焊接，同轴连接器的另一端与生命探测雷达***的发射机和接收机直接相连接，吸波材料填充于整个金属屏蔽腔3内部，用于削弱金属屏蔽腔3的谐振效应。
所述半椭圆金属辐射臂2之间预设的间隔距离为2mm，可根据输入阻抗等天线技术指标要求对两个半椭圆金属辐射臂2之间的间隔进行调整。
所述绝缘介质板1为环氧树脂玻璃纤维布层压板，其介电常数为4.4，厚度为1mm，尺寸为400mm×200mm。
所述金属屏蔽腔3的材质为铝制材料，综合带宽与最小低频反射特点，其高度值为51mm。
所述吸波材料为多层聚氨酯泡沫，相对介电常数为2.2，电导率为0.125S/m。
所述馈电单元为搭载有1:2阻抗变换及不平衡到平衡转换的商用传输线变压器的FR4介质板，其尺寸由选择的商用传输线变压器所决定。所述FR4介质板按照双面印刷电路板技术印制，传输线变压器印制于FR4介质板上，其传输线变压器平衡输出端6印制有100Ω的平行双线，用于匹配连接所述两个半椭圆金属辐射臂2，传输线变压器微带输入端7印制有50Ω的微带线，用于焊接所述同轴连接器。
所述六个加载电阻4遵循半椭圆金属辐射臂2上的电流分布特点，均匀加载于两个半椭圆金属天线臂2底边与金属屏蔽腔3的侧板之间。具体方式为：其中的三个加载电阻4引脚的一端与一侧的半椭圆金属辐射臂2的底边焊接，该三个加载电阻4引脚的另一端与金属屏蔽腔3的侧板相焊接；另外的三个加载电阻4引脚的一端与另一侧的半椭圆金属辐射臂2的底边焊接，该三个加载电阻4引脚的另一端与金属屏蔽腔3的侧边相焊接，同一侧的三个加载电阻4等间距排列。
如图2所示，为电阻加载超宽带平面半椭圆天线的立体结构示意图。图中，两个半椭圆金属辐射臂2通过电路板印制技术对称印制在绝缘介质板1的正面，所述金属屏蔽腔3的高度为51mm，其开口面的尺寸与印制有两个半椭圆金属辐射臂2的绝缘介质板1的尺寸一致，绝缘介质板1固定于金属屏蔽腔3前端开口处，吸波材料填充于金属屏蔽腔3与绝缘介质板1之间。
如图3所示，为搭载1:2传输线变压器的FR4介质板印制图。图中，所述FR4介质板5按照双面印刷电路板技术印制，黑色部分为FR4介质板顶层电路布局，灰色部分为FR4介质板底层电路布局。传输线变压器的PCB元件封装图印制于FR4介质板5上，该传输线变压器平衡输出端6印制有100Ω的平行双线，用于匹配连接所述两个半椭圆金属辐射臂2，传输线变压器微带输入端7印制有50Ω的微带线，用于焊接所述同轴连接器。
如图4所示，为电阻加载超宽带平面半椭圆天线的输入阻抗曲线，可以看出在整个频带范围内天线的输入阻抗曲线围绕100Ω左右变化，同时虚部值较小，说明天线端口反射较小。
如图5所示，为电阻加载超宽带平面半椭圆天线与发射机及接收机集成后用于检测25cm厚度混凝土墙体后人体呼吸频率探测测试的B-scan图。从图中可以看到，在墙体后约3m位置处存在一个具有微动特征的目标，成像结果明显，分辨率高。
综上所述，本发明提供的一种电阻加载超宽带平面半椭圆天线具有良好的宽频带特性和时域辐射特性，并且结构紧凑、馈电方式简单，能够满足生命探测雷达***实际应用要求，具有很好的应用前景和推广价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明新型精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都要求落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电阻加载超宽带平面半椭圆天线，其特征在于包括绝缘介质板、两个半椭圆金属辐射臂、金属屏蔽腔、六个加载电阻、吸波材料、馈电单元和同轴连接器，其中金属屏蔽腔为前端开口的长方形低反射腔，用于屏蔽后向辐射和抑制外界干扰，绝缘介质板固定于金属屏蔽腔的前端开口处，两个半椭圆金属辐射臂通过电路板印制技术对称印制于绝缘介质板的正面构成平面偶极子超宽带天线，该两个半椭圆金属辐射臂的椭圆端相对并且半椭圆金属辐射臂的底边与绝缘介质板的侧边平行，半椭圆金属辐射臂的长度l取值遵循如下关系：其中λl为低频截止频率对应的自由空间波长，εeff为所采用的绝缘介质板有效相对介电常数，两个半椭圆金属辐射臂之间预设有间隔，邻近间隔的两个半椭圆金属辐射臂上分别设有输入端口作为各自的馈电端，六个加载电阻对称焊接于半椭圆金属辐射臂底边与金属屏蔽腔侧板之间，且同一侧的三个加载电阻等间距排列，馈电单元为搭载商用传输线变压器的FR4介质板，用于实现1:2阻抗变换及不平衡到平衡转换，该馈电单元中传输线变压器平衡输出端分别与两个半椭圆金属辐射臂相连接，用于实现100Ω阻抗匹配，同轴连接器的一端与馈电单元中传输线变压器微带输入端相焊接，同轴连接器的另一端与生命探测雷达***的发射机和接收机直接相连接，吸波材料填充于整个金属屏蔽腔内部，用于削弱金属屏蔽腔的谐振效应。
2.根据权利要求1所述的电阻加载超宽带平面半椭圆天线，其特征在于：所述半椭圆金属辐射臂之间预设的间隔距离为2mm。
3.根据权利要求1所述的电阻加载超宽带平面半椭圆天线，其特征在于：所述绝缘介质板为环氧树脂玻璃纤维布层压板，其介电常数为4.4，厚度为1mm，尺寸为400mm×200mm。
4.根据权利要求1所述的电阻加载超宽带平面半椭圆天线，其特征在于：所述金属屏蔽腔的材质为铝制材料，其高度为51mm。
5.根据权利要求1所述的电阻加载超宽带平面半椭圆天线，其特征在于：所述吸波材料为多层聚氨酯泡沫，相对介电常数为2.2，电导率为0.125S/m。
6.根据权利要求1所述的电阻加载超宽带平面半椭圆天线，其特征在于：所述馈电单元为搭载有1:2阻抗变换以及不平衡到平衡转换的商用传输线变压器的FR4介质板，其尺寸由选择的商用传输线变压器所决定，所述FR4介质板按照双面印刷电路板技术印制，传输线变压器印制于FR4介质板上，该传输线变压器平衡输出端印制有100Ω的平行双线，用于匹配连接两个半椭圆金属辐射臂，传输线变压器微带输入端印制有50Ω的微带线，用于焊接同轴连接器。
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