蝶形雷達天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種蝶形雷達天線。該蝶形雷達天線包括：金屬腔體，其前端開口，后端形成一背腔，絕緣介質板，固定于金屬腔體5的前端開口處；天線本體，由金屬材料制備，呈平面狀形成于絕緣介質板3的正面，包括呈對稱蝶形的第一個天線臂和第二個天線臂；以及金屬條帶組，包括：呈平面狀形成于絕緣介質板的正面的第一金屬條帶和第二金屬條帶，分別位于第一個天線臂和第二個天線臂底邊的外側；其中，兩條金屬條帶頂邊的兩端分別通過電阻電性連接至相應天線臂底邊的相應端，其底邊電性連接至金屬腔體。本實用新型蝶形雷達天線的基本單元由一個對稱蝶形偶極子組成，末端采用電阻加載，具有超寬帶的特點，滿足系統對穿墻探測分辨率要求。
【專利說明】蝶形雷達天線
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及電子行業雷達【技術領域】，尤其涉及一種蝶形雷達天線。
【背景技術】
[0002] 穿墻成像雷達可對墻內掩蔽目標進行非侵入式探測，尤其隨著超寬帶雷達技術的 飛速發展，高分辨、遠距離、便攜式穿墻成像雷達的實現逐步成為可能。國內的一些工程勘 探部門、研究院所和大學先后對超寬帶雷達技術展開研究，并先后引進美國、加拿大等國家 的超寬帶雷達產品，取得了長足進步。由于我國對超寬帶穿墻成像雷達技術的研究起步較 晚，偏重與理論研究，所以加快發展超寬帶穿墻成像雷達的研制和產品化，對人質救援、反 恐維穩等有著重要的應用價值和現實意義。
[0003] 天線作為超寬帶穿墻成像雷達系統的一個子系統，負責將電信號轉換成電磁波有 效輻射，也需要將來自目標的回波轉換成電信號傳遞給雷達接收機的采樣系統。針對時域 脈沖體制的超寬帶穿墻成像雷達，天線的性能不僅體現在頻域特性上，同時也體現在時域 特性上。天線的時域特性的優劣，直接影響雷達系統的探測性能。由于墻體的色散作用、多 散射體的干擾、目標的雷達散射截面等限制，要求天線具有方向性好、超寬帶等特性，同時 還需要天線輻射的信號拖尾少、振蕩小。
[0004] 目前應用于穿墻生命目標檢測的天線有阻抗加載蝶形天線、TEM喇叭天線和 Vivaldi天線。阻抗加載蝶形天線的平面結構有利于天線與介質的稱合，能有效地消除天線 末端的二次反射。阻抗加載蝶形天線的輻射效率一般較差，只有通過提高發射機的脈沖幅 度來解決。TEM喇叭天線和Vivaldi天線增益較高，方向性較好，但在一定程度上都存在天 線與墻面耦合不太好的問題，而且一般體積較大，不利于系統的便攜式設計。綜合平衡穿墻 成像雷達的應用場合和性能要求，可以選擇其中一種或多種天線。
[0005] 然而，目前的阻抗加載蝶形天線的時域特性和阻抗帶寬仍需進一步改善，穿墻成 像雷達的距離分辨率也需要進一步提高。 實用新型內容
[0006] (一）要解決的技術問題
[0007] 鑒于上述技術問題，本實用新型提供了一種具有較高探測分辨率的蝶形雷達天 線。
[0008] (二）技術方案
[0009] 本實用新型蝶形雷達天線包括：金屬腔體5,其前端開口，后端形成一背腔，絕緣 介質板3,固定于金屬腔體5的前端開口處；天線本體，由金屬材料制備，呈平面狀形成于絕 緣介質板3的正面，包括呈對稱蝶形的第一個天線臂21和第二個天線臂22,兩天線臂整體 上均呈上下對稱的等腰三角形形狀，且該兩天線臂的頂端相對并隔開第一預設距離；以及 金屬條帶組，包括：第一金屬條帶11和第二金屬條帶12 ;兩金屬條帶均由金屬材料制備，呈 平面狀形成于絕緣介質板3的正面，分別位于第一個天線臂21和第二個天線臂22底邊的 外側；該兩金屬條帶均呈梯形，其頂邊與相應天線臂的底邊平行并隔開第二預設距離，其底 邊與其頂邊平行，其兩斜邊位于相應天線臂斜邊的延長線上；其中，兩條金屬條帶頂邊的兩 端分別通過電阻電性連接至相應天線臂底邊的相應端，其底邊電性連接至金屬腔體5。 [0010](三）有益效果
[0011] 從上述技術方案可以看出，本實用新型蝶形雷達天線具有以下有益效果：
[0012] (1)蝶形天線的基本單元由一個對稱蝶形偶極子組成，末端采用電阻加載，具有超 寬帶的特點，滿足系統對穿墻探測分辨率要求；
[0013] (2)金屬背腔可以屏蔽外界電磁干擾，增加輻射方向性，滿足穿墻生命探測雷達天 線的定向性要求；
[0014] (3)金屬背腔和天線介質板等材質密度較小，總體重量輕，同時天線饋電方式簡 單，有利于穿墻成像雷達產品化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型實施例蝶形雷達天線的主視立體結構示意圖；
[0016] 圖2為本實用新型實施例蝶形雷達天線中后視立體結構示意圖；
[0017] 圖3為本實用新型實施例蝶形雷達天線的S參數仿真曲線圖。
[0018] 【主要元件符號說明】
[0019] 11-第一金屬條帶； 12-第二金屬條帶；
[0020] 21-第一個天線臂； 22-第二個天線臂；
[0021] 3-絕緣介質板； 4-碳膜電阻；
[0022] 5-金屬腔體； 6-阻抗變換器；
[0023] 7-同軸連接器； 8-金屬封裝盒。
【具體實施方式】
[0024] 為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并 參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或 相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通 技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無 需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。實施例 中提到的方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此， 使用的方向用語是用來說明并非用來限制本實用新型的保護范圍。
[0025] 本實用新型蝶形雷達天線的基本單元由一個對稱蝶形偶極子組成，末端采用電阻 加載，具有超寬帶的特點，滿足系統對穿墻探測分辨率要求
[0026] 在本實用新型的一個示例性實施例中，提出了一種穿墻成像雷達蝶形超寬帶天 線，該天線的工作中心頻率為800MHz。圖1為本實用新型實施例蝶形雷達天線的立體結構 示意圖。如圖1所示，本實施例蝶形雷達天線包括：
[0027] 金屬腔體5,其前端開口，后端形成一背腔，
[0028] 絕緣介質板3,固定于金屬腔體5的前端開口處，與背腔的底面平行；
[0029] 天線本體，由金屬材料制備，呈平面狀形成于絕緣介質板3的正面，包括呈對稱蝶 形的第一個天線臂21和第二個天線臂22,兩天線臂整體上均呈上下對稱的等腰三角形，且 該兩天線臂的頂角相對并隔開第一預設距離；
[0030] 金屬條帶組，包括：第一金屬條帶11和第二金屬條帶12 ;兩條金屬條帶均由金屬 材料制備，呈平面狀形成于絕緣介質板3的正面，分別位于第一個天線臂和第二個天線臂 底邊的外側，該兩金屬條帶均呈梯形，其頂邊與相應天線臂的底邊平行并隔開第二預設距 離，其底邊與其頂邊平行，其兩斜邊位于相應天線臂斜邊的延長線上；
[0031] 其中，金屬條帶頂邊的兩端分別通過碳膜電阻電性連接至相應天線臂底邊的相應 端，其底邊電性連接至金屬腔體5。
[0032] 本實施例中，第一個天線臂和第二個天線臂構成對稱蝶形偶極子，天線臂末端采 用電阻加載，具有超寬帶的特點，滿足系統對穿墻探測分辨率要求。
[0033] 以下對本實施例蝶形雷達天線的各個組成部分進行詳細說明。
[0034] 本實施例中，金屬腔體5由厚度為1mm的錯合金材料制成。該金屬腔體5的后端 形成底壁為平面的一背腔。該背腔的底面與絕緣介質板5平行，并間接與天線本體2的兩 個天線臂平行，其厚度Η為天線中心頻率對應的自由空間波長的0. 315倍。該背腔可以屏 蔽后向輻射和外界干擾，并增強天線輻射方向性。
[0035] 絕緣介質板3固定于金屬腔體5的前端開口處，其尺寸略大于天線本體2和金屬 條帶1的尺寸。絕緣介質板3為環氧樹脂玻璃纖維布介質板，其厚度介于1. 5mm，其長度和 寬度由天線本體和金屬條帶的尺寸確定。
[0036] 該絕緣介質板3 -方面作為天線的載體，另一方向起著固定天線和金屬背腔的作 用。
[0037] 兩個金屬材質的天線臂（21、22)形成于絕緣介質板3表面，其材質為金屬，優先為 黃銅。兩天線臂為對稱設置，構成一對偶極子單元，第一個天線臂21和第二個天線臂22在 頂點處削掉一小塊三角形區域，形成與底邊平行的一邊，并且兩天線臂在天線中軸線處隔 開約為2毫米，便于饋電。天線臂的長度A為天線工作中心頻率對應的自由空間波長λ的 1/4,寬度Β為天線工作中心頻率對應的自由空間波長λ的〇. 373倍。
[0038] 兩天線臂在頂點處削掉的三角形區域的高度約為5mm?10mm。與純三角形天線 臂相比，形成的相互對稱的類三角形天線臂，其可優化天線的阻抗帶寬。此外，兩天線臂在 天線中軸線處隔開的距離介于1mm?10mm之間，本領域技術人員可以根據需要進行合理設 計。
[0039] 如圖1所示，第一金屬條帶11和第二金屬條帶12呈平面狀形成于絕緣介質板3 的正面，分別位于第一個天線臂和第二個天線臂底邊的外側。金屬條帶末端與相應天線臂 的邊緣趨勢保持一致，形成梯形。兩金屬條帶梯形的長邊與金屬腔體相連。其中，金屬條帶 的寬度C介于5mm?20mm之間。
[0040] 在金屬條帶梯形的短邊末端，為加載電阻的位置。金屬條帶與天線臂之間的間隔， 以方便焊接電阻為前提，同時要注意間隔不能過大，此處選為l〇mm。
[0041] 本實施例中，絕緣介質板為PCB板，即環氧樹脂玻璃纖維布介質板，而天線本體、 第一金屬條帶、第二金屬條帶等均為通過印刷電路板工藝印制在所述環氧樹脂玻璃纖維布 介質板上的銅箔。
[0042] 碳膜電阻4,優選承受功率為四分之一瓦的碳膜電阻。在本實施例中，電阻數量為 4個，每個電阻阻值均相同，為220 Ω。電阻加載的位置，為天線臂末端靠近頂角處。實際天 線制作中，阻值可以有10 Ω的浮動，電阻的數量也可以增加。
[0043] 圖2為本實用新型實施例蝶形雷達天線中后視立體結構示意圖。如圖2所示，本實 施例蝶形雷達天線還包括：阻抗變換器6,固定于所述結緣介質板（3)的背面，第一個天線 臂（21)和第二個電線臂頂端相對的位置，其平衡輸出端分別與兩個天線臂饋電處焊接；金 屬封裝盒8,固定于絕緣介質板3和背腔底部之間，用于固定阻抗變化器，同時有接地作用； 同軸連接器7,引腳端與阻抗變換器的不平衡端焊接，另一端伸出金屬封裝盒并與雷達發射 接收模塊連接。
[0044] 阻抗變換器6的阻抗變換比為1 : 4。在實際產品PCB板加工時，可以在天線中軸 處放置過孔，天線的饋電點處也可放置焊盤，方便阻抗變換器平衡輸出端與饋電點焊接。為 避免破壞饋電平衡性，焊盤大小應對稱一致。
[0045] 金屬封裝盒8的長寬分別為8毫米和6毫米，高度為介質板到金屬背腔頂面的距 離，可用厚度約為1毫米的鋁合金加工而成。同軸連接器7可以在市場上買到相應的產品， 本領域技術人員可以根據需要合理選擇，此處不再詳細說明。
[0046] 圖3為本實用新型實施例蝶形超寬帶天線的S11仿真試驗曲線圖。如圖4所示， 在頻帶為0. 4GHz?1. 5GHz內，Sll < -10dB，可知天線的相對帶寬遠超過100%，可以滿足 穿墻成像雷達系統的分辨率要求。
[0047] 至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員 應當對本實用新型蝶形雷達天線有了清楚的認識。
[0048] 需要說明的是，上述對各元件的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結構 或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換，例如：
[0049] (1)天線加工材質還可以是其他金屬，例如：錯、金、錫等材料；
[0050] (2)金屬背腔頂部的矩形面可以用拋物面或其它形式代替；
[0051] (3)除了碳膜電阻之外，還可以采用其他類型的電阻，如貼片電阻等；
[0052] (4)上述實施例以穿墻成像雷達為例進行說明，而本實用新型蝶形雷達天線還可 以應用于其他需要高分辨率的領域。
[0053] 綜上所述，本實用新型天線尺寸較小，具有超寬帶、端口阻抗匹配良好、饋電方式 簡單等特點，能滿足穿墻成像雷達系統的分辨率要求，同時也便于產業化加工。
[0054] 以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一 步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本 實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包 含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種蝶形雷達天線，其特征在于，包括： 金屬腔體（5)，其前端開口，后端形成一背腔， 絕緣介質板（3)，固定于所述金屬腔體（5)的前端開口處； 天線本體，由金屬材料制備，呈平面狀形成于所述絕緣介質板（3)的正面，包括呈對稱 蝶形的第一個天線臂（21)和第二個天線臂（22)，兩天線臂整體上均呈上下對稱的等腰三 角形形狀，且該兩天線臂的頂端相對并隔開第一預設距離；以及 金屬條帶組，包括：第一金屬條帶（11)和第二金屬條帶（12);兩金屬條帶均由金屬材 料制備，呈平面狀形成于所述絕緣介質板（3)的正面，分別位于第一個天線臂（21)和第二 個天線臂（22)底邊的外側；該兩金屬條帶均呈梯形，其頂邊與相應天線臂的底邊平行并隔 開第二預設距離，其底邊與其頂邊平行，其兩斜邊位于相應天線臂斜邊的延長線上； 其中，所述兩條金屬條帶頂邊的兩端分別通過電阻電性連接至相應天線臂底邊的相應 端，其底邊電性連接至所述金屬腔體（5)。
2. 根據權利要求1所述的蝶形雷達天線，其特征在于，對于所述第一個天線臂（21)和 第二個天線臂（22)，其長度A和寬度B滿足： A = λ/4 ;B = 0· 373 入 其中，λ為天線工作中心頻率對應的自由空間波長。
3. 根據權利要求1所述的蝶形雷達天線，其特征在于，所述第一個天線臂（21)和第二 個天線臂（22)的頂端隔開的第一預設距離介于1mm?10mm之間。
4. 根據權利要求1所述的蝶形雷達天線，其特征在于，所述第一個天線臂（21)和第二 個天線臂（22)的頂端均削掉一三角形區域，形成與底邊平行的一邊，該三角形區域的高度 介于5_?10mm之間。
5. 根據權利要求1所述的蝶形雷達天線，其特征在于，兩金屬條帶的寬度C介于5mm? 20mm之間，其與相應天線臂的間隔為10mm。
6. 根據權利要求1所述的蝶形雷達天線，其特征在于，兩金屬條帶頂邊的兩端與相應 天線臂底邊的兩端通過碳膜電阻電性連接，該碳膜電阻的阻值介于210Ω?230Ω之間。
7. 根據權利要求1所述的蝶形雷達天線，其特征在于： 所述背腔的底壁為平面； 所述絕緣介質板（3)與所述背腔的底壁平行； 所述背腔的厚度Η為天線中心頻率對應的自由空間波長λ的0.315倍。
8. 根據權利要求1所述的蝶形雷達天線，其特征在于，所述天線本體和金屬條帶組的 材料為銅、金、錯或錫。
9. 根據權利要求8所述的蝶形雷達天線，其特征在于， 所述絕緣介質板（3)為環氧樹脂玻璃纖維布介質板； 所述天線本體及金屬條帶組為通過印刷電路板工藝印制在所述環氧樹脂玻璃纖維布 介質板上的銅箔。
10. 根據權利要求1至9中任一項所述的蝶形雷達天線，其特征在于，還包括： 阻抗變換器（6)，固定于所述絕緣介質板（3)的背面，第一個天線臂（21)和第二個電線 臂頂端相對的位置，其平衡輸出端分別與兩天線臂饋電處焊接； 金屬封裝盒（8)，固定于所述絕緣介質板（3)和背腔底部之間，所述阻抗變化器（6)的 外圍；以及 同軸連接器（7)，其引腳端與所述阻抗變換器￠)的不平衡端焊接，另一端伸出所述金 屬封裝盒（8)并與雷達發射接收模塊連接。
【文檔編號】H01Q1/52GK203883121SQ201420307542
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】吳世有, 王友成, 邵金進, 陳潔, 張鋒, 方廣有, 張曉娟 申請人:中國科學院電子學研究所