雷达天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种雷达天线。该雷达天线包括：金属箱体，其前端开口，后端形成一背腔；绝缘介质板，固定于金属箱体的前端开口处；天线本体，由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质板的正面，包括中心对称的两水滴状天线臂，每一水滴状天线臂的尖端朝向中心对称点，作为各自的馈电端，且该两水滴状天线臂的馈电端隔开预设距离；其中，该两水滴状天线臂的馈电端分别电性连接至后端的雷达信号发射/接收模块。本实用新型中，两个渐变的水滴状天线臂构成天线本体，可认为是偶极子，具有超宽带的特点，满足探地雷达系统对地下管线探测等场景下高分辨率要求。
【专利说明】雷达天线
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及电子行业雷达【技术领域】，尤其涉及一种雷达天线。
【背景技术】
[0002] 随着城市化的高速发展，市政工程建设的环境也日趋复杂，尤其是在人口集中的 居住区，地下管线的分布非常密集。由于地下管线具有一定的隐蔽性，并且数量庞大，在老 城区改造、新市政工程建设中，稍不注意就可能会破坏地下管线。探地雷达利用超宽带技术 和低频电磁波具有一定穿透性的特点，可以完成对地下管线进行非侵入式探测。
[0003] 同时，在城市道路或都高速公路建设中，路面下可能存在空洞。例如公路维护和检 测，用探地雷达可快速监测路面的状况。
[0004] 随着超宽带雷达技术和半导体器件的飞速发展，高分辨、便携式探地雷达的工程 化应用也逐步普及。
[0005] 在探地雷达系统中，天线可以说是一个重要的子系统。天线的辐射性能和端口特 性直接影响探地雷达的探测精度。天线作为发射部件时，将雷达发射信号转换为电磁波， 耦合到介质；作为接收部件时，接收来自目标的散射电磁波并传递会雷达接收机的采样系 统。由于地下介质非均匀性和色散性，电磁波在地下传播时会有不同程度的衰减。基于以 上情况，要求探地雷达天线具有方向性好、超宽带等特性，尤其是针对时域脉冲体制的探地 雷达，同时还需要天线辐射的信号保真性好。
[0006] 然而，目前的探地雷达天线存在结构复杂或者带宽不足等问题，不能较好地满足 实际工程应用中雷达系统对地下管线探测等分辨率要求。 实用新型内容
[0007] (一）要解决的技术问题
[0008] 鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种超宽带、信号保真性好的雷达天线，其 可应用于探地雷达系统中。
[0009] (二）技术方案
[0010] 本实用新型雷达天线包括：金属箱体，其前端开口，后端形成一背腔；绝缘介质 板，固定于金属箱体的前端开口处；天线本体，由金属材料制备，呈平面状形成于绝缘介质 板的正面，包括中心对称的两水滴状天线臂，每一水滴状天线臂的尖端朝向中心对称点，作 为各自的馈电端，且该两水滴状天线臂的馈电端隔开预设距离；其中，该两水滴状天线臂的 馈电端分别电性连接至后端的雷达信号发射/接收模块。
[0011] 优选地，本实用新型雷达天线中，水滴状天线臂呈一三角形和一半圆形组合的形 状。
[0012] 优选地，本实用新型雷达天线中，水滴状天线臂的横向长度L与纵向宽度Η满足：L =3Η/2 ;水滴状天线臂的横向长度L为雷达天线工作中心频率对应的自由空间波长的1/4。
[0013] 优选地，本实用新型雷达天线中，水滴状天线臂的厚度介于0. 2mm?3mm之间，两 馈电端隔开的预设距离介于1mm?20mm之间。
[0014] 优选地，本实用新型雷达天线中，制备天线本体的金属材料为以下材料中的一种： 金、银和锡。
[0015] 优选地，本实用新型雷达天线中，绝缘介质板的材料为环氧树脂玻璃纤维介质板， 其厚度介于1. 5mm和3mm之间。
[0016] 优选地，本实用新型雷达天线中，金属箱体10呈长方体构造，其材料为铝合金；背 腔的背面呈平面，其与绝缘介质板30平行，该背腔的高度为雷达天线中心频率对应的自由 空间波长的四分之一。
[0017] 优选地，本实用新型雷达天线还包括：吸波海绵20,填充在绝缘介质板30背面的 金属箱体10的背腔内。
[0018] 优选地，本实用新型雷达天线还包括：阻抗变换器60,固定于绝缘介质板30的背 面，其平衡输出端分别与两水滴状天线臂馈电端电性连接；以及同轴连接器70,固定于绝 缘介质板30的背面，其第一端的芯线与阻抗变换器的不平衡输入端电性连接，其他引脚与 阻抗变换器60的地相连接；其第二端与雷达信号发射/接收模块连接；金属封装盒50,固 定于阻抗变换器60的外围，背腔顶面与绝缘介质板之间，用于固定阻抗变换器60,并保持 接地；
[0019] 其中，绝缘介质板30对应馈电端的位置设置过孔，馈电端通过该过孔焊接于阻抗 变换器的平衡输出端。
[0020] 优选地，本实用新型雷达天线的频带在0. 1GHz?1. 0GHz内，用于地下管线探测。
[0021] (三有益效果
[0022] 从上述技术方案可以看出，本实用新型雷达天线具有以下有益效果：
[0023] (1)两个渐变的水滴状天线臂构成天线本体，可认为是偶极子，具有超宽带的特 点，满足系统对地下管线探测等场景下高分辨率要求；
[0024] (2)金属箱体的背腔可以屏蔽后向辐射和外界干扰，并增强天线辐射方向性；
[0025] (3)在绝缘介质板后侧的背腔内填充了吸波海绵，使得天线时域波形保真性较好， 拖尾和振荡都较小；
[0026] (4)天线馈电方式简单、端口阻抗匹配性能良好、易于加工集成，便于维护；
[0027] (5)重量轻，满足便携式要求，适用于工程应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为根据本实用新型实施例探地雷达天线的立体结构示意图；
[0029] 图2为图1所示探地雷达天线介质板背面金属背腔内的结构示意图；
[0030] 图3为图1所示探地雷达天线的电压驻波系数仿真曲线图；
[0031] 图4为图1所示探地雷达天线外场实测的回波图。
[0032] 【主要元件符号说明】
[0033] 10-金属箱体； 20-吸波海绵；
[0034] 30-绝缘介质板； 40-天线本体；
[0035] 50-金属封装盒； 60-阻抗变换器；
[0036] 70-同轴连接器。
【具体实施方式】
[0037] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或 相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通 技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无 需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例 中提到的方向用语，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此， 使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。
[0038] 本实用新型雷达天线包括中心对称的一对偶极子单元，每一偶极子单元自顶点至 末端缓变渐削，呈水滴状。该雷达天线的工作中心频率为500MHz，具有超宽带的特点，适用 于GPR地下管线探测、浅层空洞探测等工程应用。
[0039] 在本实用新型的一个示例性实施例中，提供了一种探地雷达天线。图1为根据本 实用新型实施例探地雷达天线的立体结构示意图。如图1所示，本实施例探地雷达天线包 括：
[0040] 金属箱体10,其前端开口，其后端形成一背腔；
[0041] 绝缘介质板30,呈平面板状，固定于金属箱体10的前端开口处，其与背腔之间填 充吸波海绵20 ;
[0042] 天线本体40,由金属材料制备，形成于绝缘介质板30的正面，包括中心对称的两 水滴状天线臂，每一水滴状天线臂的尖端朝向中心对称点，其两水滴状天线臂的尖端作为 各自的馈电端，两者隔开预设距离；
[0043] 阻抗变换器60,固定于绝缘介质板30的背面，其平衡输出端分别与两水滴状天线 臂馈电端电性连接；以及
[0044] 同轴连接器70,固定于绝缘介质板30的背面，其第一端的芯线与阻抗变换器的不 平衡输入端电性连接，其他引脚与阻抗变换器的地相连接；其第二端穿过背腔，与雷达信号 发射/接收模块连接。
[0045] 本实施例中，两个渐变的水滴状天线臂构成天线本体40,可认为是偶极子天线，具 有超宽带的特点，可以满足雷达系统对地下管线探测等高分辨率要求。
[0046] 以下对本实施例雷达天线的各个组成部分进行详细说明。
[0047] 请参照图1，金属箱体10呈朝向前面开口的长方体箱式构造。金属箱体的材料为 铝合金，其厚度约为1_。背腔的高度一般为探地雷达天线中心频率对应的自由空间波长的 四分之一，此处经仿真选择最优高度为天线工作中心频率对应自由空间波长的〇. 193倍。
[0048] 本实施例中，为了便于固定雷达信号发射/接收模块，背腔的背面为平面，其平行 于绝缘介质板。本实用新型并不以本实施例为限，该金属箱体与绝缘介质板30平行的背平 面还可以是其它形状，例如抛物面或圆柱面，并且金属背腔的高度可以有10%的浮动。此 夕卜，该金属箱体10还可以是其他形状，例如，圆柱体、球体等。
[0049] 本实施例中，金属箱体10的背腔可以屏蔽后向辐射和外界干扰，并增强天线辐射 方向性，同时作为绝缘介质板30和吸引海绵20的载体。
[0050] 绝缘介质板30固定于金属箱体10的开口处，与其背平面平行。该绝缘介质板的 长度和宽度略大于天线本体40的长度和宽度，其厚度介于1. 5mm和3mm之间。该绝缘介质 板的材料为环氧树脂玻璃纤维介质板，其介电常数约为4. 4。
[0051] 该绝缘介质板一方面作为天线本体的载体，另一方面起着固定天线本体40和金 属箱体10的作用。
[0052] 请参照图1，天线本体40包括中心对称的两水滴状天线臂，并构成一对偶极子单 元，两个水滴状天线臂顶点处即为馈电端，并间隔2mm。水滴状天线臂自顶点至末端形状为 缓变渐削。对于水滴状天线臂而言，其横向长度L为天线工作中心频率对应自由空间波长 的六分之一，其纵向宽度Η为天线工作中心频率对应自由空间波长的0. 12倍，天线臂的材 料为0· 5mm的黄铜。
[0053] 该水滴状天线臂的结构可以认为是一个类三角形和一个半圆形组合的形状，这样 缓变的结构使得电磁波在辐射时反射较小，有利于端口阻抗匹配。
[0054] 本实用新型并不以本实施例为限，水滴状天线臂的材料还可以为其他电导率大、 有损耗的金属材料，例如：金、银、锡等，但综合考虑性能与成本，该水滴状天线臂优选地采 用铜材料制备。此外，水滴状天线臂的厚度也可以在0. 2mm?3mm之间变动，两馈电端之间 的距离可介于1mm?20mm之间，并且，天线臂的长度L约为雷达天线工作中心频率对应的 自由空间波长的1/4, L与Η满足以下关系：L = 3H/2。
[0055] 请参照图1，吸波海绵20,填充在绝缘介质板30背面的金属箱体10的背腔内，其 尺寸比背腔略小。该吸波海绵带宽吸收率约为17dB。当本实施例探地雷达天线作为雷达接 收天线时，吸波海绵吸收率较大的一面靠向背腔；当本实施例探地雷达天线作为雷达发射 天线时，吸波海绵吸收率较大的一面靠向天线臂。
[0056] 需要说明的是，该吸波海绵20作为本实施例探地雷达天线的一部分，其已经为市 场上成熟的产品。本领域技术人员清楚地知道其实现机理，并能够分辨吸收率较大的一面 与吸收率较小的一面，此处不再对其进行详细说明。
[0057] 本实施例中，通过在背腔内填充了吸波海绵，使得天线端口的反射更小，天线时域 波形保真性较好，拖尾和振荡都较小。
[0058] 图2为图1所示探地雷达天线介质板背面金属背腔内的结构示意图。请参照图2， 金属封装盒50的尺寸略大于阻抗变换器60,其材质为铝合金，其厚度约为1_，其高度为绝 缘介质板到金属背腔顶面的距离。该金属封装盒50的前端和后端分别固定于绝缘绝缘介 质板的表面和金属背腔10的顶面（与绝缘介质板平行的一个面），其作用就是固定阻抗变 换器60,并保持接地。
[0059] 阻抗变换器60由金属封装盒50固定于绝缘介质板30的背面，其平衡输出端分别 与两个天线臂馈电点处焊接，不平衡端连接同轴连接器。阻抗变换器60的阻抗变换比为1 : 4,带宽覆盖探地雷达天线的工作带宽。
[0060] 在PCB加工制作时，在天线的馈电端处放置过孔，方便阻抗变换器平衡输出端与 馈电点焊接。
[0061] 同轴连接器70-端的芯线与阻抗变换器的不平衡输入端相连，其它引脚与阻抗 变换器地相接。同时另一端与天线伸出金属封装盒，并穿过金属背腔，与雷达信号发射/接 收模块连接。
[0062] 本实施例中，发射/接收表示该天线可以作为发射天线、也可以作为接收天线，一 般采用一对天线，一个用作发射，一个用作接收，也可以采用一个天线分时发射或接收。以 下介绍本实施例探地雷达天线的工作过程：
[0063] (1)当本实施例探地雷达天线作为雷达接收天线时，接收来自目标的回信号并传 递给雷达接收，用另一个参数相同的天线发射。
[0064] (2)当本实施例探地雷达天线作为雷达发射天线时，辐射来自发射机的信，并用另 一个参数相同的天线接收。
[0065] 图3为本实用新型实施例超宽带天线的电压驻波系数（VSWR)仿真试验曲线图。如 图3所示，在频带为0. 1GHz?1. 0GHz内，VSWR均小于2,可知天线的相对带宽远超过100%， 能够很好地满足穿墙雷达系统的分辨率要求。
[0066] 图4为本实用新型实施例超宽带天线应用于雷达外场实测数据的一道回波图，如 图4所示，横坐标为回波时间，纵坐标为归一化后的幅度，图中虚线框部分即为外场实验所 测到的金属管线。由图中可以看到明显的金属管线回波，其灵敏度已经比现有技术的探地 雷达天线高。
[0067] 至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员 应当对本实用新型探地雷达天线有了清楚的认识。
[0068] 此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形 状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
[0069] (1)本实用新型雷达天线还可以应用于其他领域，并不局限于上述实施例的探地 雷达系统中；
[0070] (2)本实用新型雷达天线中，可以仅包含绝缘介质板和天线本体，而不局限于上述 实施例中还包括吸波海绵、阻抗变换器等，同样能够实现本实用新型的实用新型目的。
[0071] 综上所述，本实用新型雷达天线具有超宽带、端口阻抗匹配性能良好、馈电方式较 为简单、易于加工集成等特点，适用于GPR地下管线探测、浅层空洞探测等工程应用，具有 广阔的应用前景。
[0072] 以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一 步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本 实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包 含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种雷达天线，其特征在于，包括： 金属箱体（10)，其前端开口，后端形成一背腔； 绝缘介质板（30)，固定于所述金属箱体（10)的前端开口处； 天线本体（40)，由金属材料制备，呈平面状形成于所述绝缘介质板（30)的正面，包括 中心对称的两水滴状天线臂，每一水滴状天线臂的尖端朝向中心对称点，作为各自的馈电 端，且该两水滴状天线臂的馈电端隔开预设距离； 其中，该两水滴状天线臂的馈电端分别电性连接至后端的雷达信号发射/接收模块。
2. 根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述水滴状天线臂呈一三角形和一 半圆形组合的形状。
3. 根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于： 所述水滴状天线臂的横向长度L与纵向宽度Η满足：L = 3H/2 ; 所述水滴状天线臂的横向长度L为雷达天线工作中心频率对应的自由空间波长的 1/4。
4. 根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述水滴状天线臂的厚度介于 0· 2mm?3mm之间，两馈电端隔开的预设距离介于1mm?20mm之间。
5. 根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，制备所述天线本体的金属材料为以 下材料中的一种：金、银和锡。
6. 根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述绝缘介质板的材料为环氧树脂 玻璃纤维介质板，其厚度介于1. 5mm和3mm之间。
7. 根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述金属箱体（10)呈长方体构造，其 材料为铝合金； 所述背腔的背面呈平面，其与所述绝缘介质板（30)平行，该背腔的高度为雷达天线中 心频率对应的自由空间波长的四分之一。
8. 根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，还包括： 吸波海绵（20)，填充在绝缘介质板（30)背面的金属箱体（10)的背腔内。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的雷达天线，其特征在于，还包括： 阻抗变换器￠0)，固定于所述绝缘介质板（30)的背面，其平衡输出端分别与所述两水 滴状天线臂馈电端电性连接；以及 同轴连接器（70)，固定于所述绝缘介质板（30)的背面，其第一端的芯线与所述阻抗变 换器的不平衡输入端电性连接，其他引脚与所述阻抗变换器￠0)的地相连接；其第二端与 雷达信号发射/接收模块连接； 金属封装盒（50)，固定于所述阻抗变换器￠0)的外围，背腔顶面与绝缘介质板之间， 用于固定阻抗变换器（60)，并保持接地； 其中，所述绝缘介质板（30)对应馈电端的位置设置过孔，馈电端通过该过孔焊接于所 述阻抗变换器的平衡输出端。
10. 根据权利要求1至8中任一项所述的雷达天线，其特征在于，该雷达天线的频带在 0. 1GHz?1. 0GHz内，用于地下管线探测。
【文档编号】H01Q1/42GK203910951SQ201420291023
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】叶盛波, 王友成, 邵金进, 陈浩, 方广有, 张晓娟 申请人:中国科学院电子学研究所