一种低副瓣电平的8mm波段介质棒天线的制作方法
【专利摘要】一种副低瓣电平的8mm波段介质棒天线，它涉及一种介质棒天线。本发明解决了现有的介质棒天线体积大、阻抗带宽范围小以及副瓣电平较高的问题。第一介质圆台段、第一介质圆柱段、第二介质圆台段、第二介质圆柱段和第三介质圆台段依次连接为一体，转换介质过渡段为子弹头形状，转换介质过渡段的大端与第三介质圆台段的大端固接为一体，转换介质过渡段的大端外径与第三介质圆台段的大端外径一致设置，燕尾锥削段沿介质棒天线的长度方向固装在转换介质过渡段上，燕尾锥削段的位于介质棒天线的尾部，矩形波导沿介质棒天线的长度方向固套在转换介质过渡段和燕尾锥削段上，转换介质过渡段和燕尾锥削段位于矩形波导内。本发明用于被动毫米波成像系统。
【专利说明】—种低副辦电平的8mm波段介质棒天线
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种用于被动毫米波成像系统馈源天线的介质棒天线，属于电磁场与微波【技术领域】。
【背景技术】
[0002]毫米波成像是利用毫米波接收天线接收目标与背景所发射的相应频段电磁波、使用毫米波辐射计放大信号、运用信号处理软件加工处理、分析成像的总称。天线被动地接收目标和背景所辐射的毫米波能量，目标与背景的毫米波发射率不同，比如金属、大气冷空的毫米波发射率就很低，在成像结果中一般被显示为白色，而生物体或者是相应频段的电磁波发射设备的毫米波发射率就比较高，在成像结果中一般显示为黑色，介于白色与黑色之间的能量值以渐进的灰度排布，这种分辨不同物体的成像方式与红外线的热探测成像类似，因此毫米波成像也可以称为毫米波热辐射成像。
[0003]一方面，为了提供足够的空间分辨率，要求透镜或者反射面天线焦平面上的馈源分布较为紧密，故必须使用较小截面的馈源。另一方面，馈源天线必须以尽可能低的溢出损耗为透镜提供有效的照射，这需要天线具有较高的增益，通常会使天线具有很大的横截面。这个矛盾是设计焦平面阵列亟待解决的问题。很多文献提出过各种喇叭天线、印刷偶极子或者渐变缝隙天线，但这些馈源有的不能够对透镜及反射器提供良好的照射；有的不能紧密排列；有的交叉极化隔离度较差。工作于Ka波段的馈源天线，要求小截面、高增益、低副瓣、低互耦，易于排列成紧密的阵列，满足系统高分辨率的采样要求。这要求馈源天线既要有较高的增益，又要减小口面的大小。
[0004]现有的介质棒天线形状各异，但归根结底都要是实现工作频点的高增益，以及较低的副瓣天平。由于在被动式毫米波成像系统中，天线的应用以阵列形式出现，而且为了减小系统整机的空间尺寸，或者去符合成像视场的要求，需要天线阵列的排布尽可能紧密，这就对天线单元的副瓣电平提出了较高的要求。副瓣电平较高，即沿主波束辐射方向较小的立体角度内有其他辐射分量，这会影响周围的天线正常工作，这种互耦现象是天线组成阵列时最亟待解决的问题。在设计介质棒天线时，对于增益下降来说，可以通过电路进行一定的补偿，甚至是只要保证不低于某项指标即可，但副瓣电平决定了天线单元之间的最小距离。
[0005]综上，现有的介质棒天线体积大、阻抗带宽范围小以及副瓣电平较高。
【发明内容】
[0006]本发明为解决现有的介质棒天线体积大、阻抗带宽范围小以及副瓣电平较高的问题，进而提供了一种低副瓣电平的8mm波段介质棒天线。
[0007]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0008]本发明的低副瓣电平的8_波段介质棒天线包括第一介质圆台段、第一介质圆柱段、第二介质圆台段、第二介质圆柱段、第三介质圆台段、转换介质过渡段、燕尾锥削段和矩形波导，第一介质圆台段的大端与第一介质圆柱段的一端固接为一体，第一介质圆台段的大端外径与第一介质圆柱段的外径一致设置，第一介质圆柱段的另一端与第二介质圆台段的小端固接为一体，第一介质圆柱段的外径与第二介质圆台段的小端外径一致设置，第二介质圆台段的大端与第二介质圆柱段的一端固接为一体，第二介质圆台段的大端外径与第二介质圆柱段的外径一致设置，第二介质圆柱段的另一端与第三介质圆台段的小端固接为一体，第二介质圆柱段的外径与第三介质圆台段的小端外径一致设置，转换介质过渡段为子弹头形状，转换介质过渡段的大端与第三介质圆台段的大端固接为一体，转换介质过渡段的大端外径与第三介质圆台段的大端外径一致设置，燕尾锥削段沿介质棒天线的长度方向固装在转换介质过渡段上，燕尾锥削段的位于介质棒天线的尾部，矩形波导沿介质棒天线的长度方向固套在转换介质过渡段和燕尾锥削段上，转换介质过渡段和燕尾锥削段位于矩形波导内。
[0009]本发明的有益效果是:
[0010]本发明的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线采用波导口馈电，波导内的阻抗匹配采用了介质材料燕尾锥削的结构，与现有的介质棒天线相比，阻抗带宽达到了 24.9GHz?41.7GHz，即大大增加了阻抗带宽的范围；本发明的介质棒的圆台结构与圆柱结构交替排布，可实现阻抗匹配的功能，并完成介质棒尖端向矩形波导尺寸的过渡；再通过燕尾锥削，将电磁波被吸收进矩形波导，最后进入电路部分，形成电信号送入数据处理模块生成黑白图像；与现有的介质棒天线相比，逐级减小的横截面保证了天线的高增益，天线增益达到了G > 15dB ;过渡段的结构使得天线的横截面尺寸逐渐变小，使得天线的方向图的副瓣电平低，副瓣电平SLL < -22dB ；
[0011]本发明的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线结构紧凑，体积小。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的低副瓣电平的8mm波段的介质棒天线整体结构立体图，图2是本发明的低副瓣电平的8_波段的介质棒天线立体图(省略矩形波导8)，图3是天线的S参数示意图(从图中可以看出，天线在24.9?41.7GHz范围内反射系数| S111小于_20dB)，图4为频率f = 35GHz时直角坐标系下的远场方向图，从图中可以看出增益的最大值(15.22dB)和副瓣电平(22.79dB);图5为频率f = 35GHz时E面方向图，图6为频率f =35GHz时H面方向图。
【具体实施方式】
[0013]【具体实施方式】一:如图1?6所示，本实施方式的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线包括第一介质圆台段1、第一介质圆柱段2、第二介质圆台段3、第二介质圆柱段4、第三介质圆台段5、转换介质过渡段6、燕尾锥削段7和矩形波导8，第一介质圆台段I的大端与第一介质圆柱段2的一端固接为一体，第一介质圆台段I的大端外径与第一介质圆柱段2的外径一致设置，第一介质圆柱段2的另一端与第二介质圆台段3的小端固接为一体，第一介质圆柱段2的外径与第二介质圆台段3的小端外径一致设置，第二介质圆台段3的大端与第二介质圆柱段4的一端固接为一体，第二介质圆台段3的大端外径与第二介质圆柱段4的外径一致设置，第二介质圆柱段4的另一端与第三介质圆台段5的小端固接为一体，第二介质圆柱段4的外径与第三介质圆台段5的小端外径一致设置，转换介质过渡段6为子弹头形状，转换介质过渡段6的大端与第三介质圆台段5的大端固接为一体，转换介质过渡段6的大端外径与第三介质圆台段5的大端外径一致设置，燕尾锥削段7沿介质棒天线的长度方向固装在转换介质过渡段6上，燕尾锥削段7的位于介质棒天线的尾部，矩形波导8沿介质棒天线的长度方向固套在转换介质过渡段6和燕尾锥削段7上，转换介质过渡段6和燕尾锥削段7位于矩形波导8内。
[0014]本发明的介质棒天线可用于被动式毫米波成像系统中，作为接收来自人体及其背景的电磁波，所述电磁波中心频率为35GHz，对应波长约为8mm。
[0015]【具体实施方式】二:如图1所示，本实施方式矩形波导8的横截面尺寸为7.112mmX3.556mm。如此设计，可以和适用于35GHz电磁波单模传输的标准矩形波导BJ320很好地连接。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0016]【具体实施方式】三:如图1所示，本实施方式第一介质圆台段I的小端外径为2mm。如此设计，可以很大限度地降低为换取低副瓣而产生的增益损失。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一或二相同。
[0017]【具体实施方式】四:如图1所不，本实施方式第一介质圆柱段2的外径为3mm,第一介质圆柱段2的长度为12mm。如此设计，可以利用介质棒顶部较长的渐变结构形成稳定的表面波。其它组成及连接关系与【具体实施方式】三相同。
[0018]【具体实施方式】五:如图1所示，本实施方式第二介质圆台段3大端的外径为4mm，第一介质圆柱段2、第二介质圆台段3和第二介质圆柱段4的长度均为4_。如此设计,可以增大介质棒的平均横截面积，使介质棒在较小的轴向长度条件下抑制副瓣天平。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一、二或四相同。
[0019]【具体实施方式】六:如图1所示，本实施方式第三介质圆台段5的大端外径为7.112mm，第三介质圆台段5的长度为6mm。如此设计，刚好与波导的内长边衔接，减少电磁波的泄漏，使表面波稳定地注入波导。其它组成及连接关系与【具体实施方式】五相同。
[0020]【具体实施方式】七:如图1所示，本实施方式转换介质过渡段6的长度为8mm。如此设计，实现了圆横截面的介质棒与矩形波导的过渡，匹配效果较好。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一、二、四或六相同。
[0021]【具体实施方式】八:如图1所示，本实施方式燕尾锥削段7的尾翼长度为16mm。如此设计，可以利用锥削的渐变结构实现匹配，降低中心频率处的反射系数。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一、二、四或六相同。
[0022]工作原理:
[0023]对于人体这类恒温生物体来说，其辐射出的电磁波的电平值相比于背景环境(尤其是金属)是较高的，毫米波成像正是靠这种电平值对应的亮温的差异进行成像与图像识另II。当电磁波福射到天线上时，电磁波会在天线的介质棒前端会形成表面电磁波，进而穿入介质，在介质内传播。本发明的介质棒的圆台结构与圆柱结构交替排布，可实现阻抗匹配的功能，并完成介质棒尖端向矩形波导尺寸的过渡。再通过燕尾锥削，将电磁波被吸收进矩形波导，最后进入电路部分，形成电信号送入数据处理模块生成黑白图像。
【权利要求】
1.一种低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，其特征在于:所述介质棒天线包括第一介质圆台段(1)、第一介质圆柱段(2)、第二介质圆台段(3)、第二介质圆柱段(4)、第三介质圆台段(5)、转换介质过渡段￠)、燕尾锥削段(7)和矩形波导(8)，第一介质圆台段(1)的大端与第一介质圆柱段(2)的一端固接为一体，第一介质圆台段(1)的大端外径与第一介质圆柱段(2)的外径一致设置，第一介质圆柱段(2)的另一端与第二介质圆台段(3)的小端固接为一体，第一介质圆柱段(2)的外径与第二介质圆台段(3)的小端外径一致设置，第二介质圆台段(3)的大端与第二介质圆柱段(4)的一端固接为一体，第二介质圆台段(3)的大端外径与第二介质圆柱段(4)的外径一致设置，第二介质圆柱段(4)的另一端与第三介质圆台段(5)的小端固接为一体，第二介质圆柱段(4)的外径与第三介质圆台段(5)的小端外径一致设置，转换介质过渡段(6)为子弹头形状，转换介质过渡段￠)的大端与第三介质圆台段(5)的大端固接为一体，转换介质过渡段￠)的大端外径与第三介质圆台段(5)的大端外径一致设置，燕尾锥削段(7)沿介质棒天线的长度方向固装在转换介质过渡段(6)上，燕尾锥削段(7)的位于介质棒天线的尾部，矩形波导(8)沿介质棒天线的长度方向固套在转换介质过渡段(6)和燕尾锥削段(7)上，转换介质过渡段(6)和燕尾锥削段(7)位于矩形波导(8)内。
2.根据权利要求1所述的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，其特征在于:矩形波导(8)的横截面尺寸为7.112mmX3.556mm。
3.根据权利要求1或2所述的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，其特征在于:第一介质圆台段(1)的小端外径为2mm。
4.根据权利要求3所述的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，其特征在于:第一介质圆柱段(2)的外径为3mm,第一介质圆柱段(2)的长度为12mm。
5.根据权利要求1、2或4所述的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，其特征在于:第二介质圆台段(3)大端的外径为4_，第一介质圆柱段(2)、第二介质圆台段(3)和第二介质圆柱段⑷的长度均为4mm。
6.根据权利要求5所述的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，其特征在于:第三介质圆台段(5)的大端外径为7.112mm,第三介质圆台段(5)的长度为6mm。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，其特征在于:转换介质过渡段(6)的长度为8_。
8.根据权利要求7所述的低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，其特征在于:燕尾锥削段(7)的尾翼长度为16mm。
【文档编号】H01Q13/24GK104300230SQ201410482279
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】董佳鑫, 王楠楠, 刘北佳, 付彦志, 张雨薇 申请人:哈尔滨工业大学