雷达天线和包含其的雷达

摘要

一种超宽带雷达天线，该雷达天线包括：发射天线组件、接收天线组件，其中发射天线组件包括：第一上辐射臂和第一下辐射臂，第一阻抗变换器；接收天线组件包括：第二上辐射臂和第二下辐射臂，第一阻抗变换器。其中，发射天线与接收天线具有相同的阻抗变换器结构。本发明超宽带雷达天线采用特殊曲线构成天线辐射臂，并将阻抗变换器与天线集成在一起，天线整体尺寸较小，并具有良好的宽带特性。

权利要求

1.一种雷达天线，包括发射天线组件和接收天线组件，其特征在于：

所述发射天线组件包括：第一上辐射臂、第一下辐射臂和第一阻抗变换器；所述第一上辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第一上辐射臂短端，另一端为第一上辐射臂长端；所述第一下辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第一下辐射臂短端，另一端为第一下辐射臂长端；所述第一下辐射臂短端和所述第一上辐射臂短端通过所述第一阻抗变换器连接；

所述接收天线组件包括：第二上辐射臂、第二下辐射臂和第二阻抗变换器；所述第二上辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第二上辐射臂短端，另一端为第二上辐射臂长端；所述第二下辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第二下辐射臂短端，另一端为第二下辐射臂长端；所述第二下辐射臂短端和第二上辐射臂短端通过所述第二阻抗变换器连接。

2.根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述第一上辐射臂和第一下辐射臂对称设置，设定两个辐射臂长度方向的对称线为雷达天线轴向方向，则两个辐射臂沿雷达天线轴向的阻抗变化按照以下方式计算：ξ＝2x/l    (3)

其中，rmax是指雷达天线反射系数，Z2值为辐射臂长端阻抗，Z1值为辐射臂短端阻抗，公式(1)中求出中间变量B，f0为天线中心频率，l为喇叭天线轴线长度，x为沿雷达天线轴向的变量，取值为0-l，ξ为中间变量，I0{·}表示一阶修正贝塞尔函数，Z(ξ)为沿雷达天线轴向的阻抗变化值。

3.根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述第二上辐射臂和第二下辐射臂对称设置，设置两个辐射臂长度方向的对称线为雷达天线轴向方向，它们沿雷达天线轴向的阻抗变化按照以下方式计算：ξ＝2x/l    (3)

其中，rmax是指雷达天线反射系数，Z2值为辐射臂长端阻抗，Z1值为辐射臂短端阻抗，公式(1)中求出中间变量B，f0为天线中心频率，l为喇叭天线轴线长度，x为沿雷达天线轴向的变量，取值为0-l，ξ为中间变量，I0{·}表示一阶修正贝塞尔函数，Z(ξ)为沿雷达天线轴向的阻抗变化值。

4.根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，还包括支撑件，所述支撑件包括一个棱柱，该棱柱包括一个棱和两个斜面，所述第一上辐射臂和第一下辐射臂分别设置在所述两个斜面上并且相对于所述棱对称设置，所述第二上辐射臂和所述第二下辐射臂也分别设置在所述两个斜面上并且相对于所述棱对称设置。

5.根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述第一上辐射臂、第一下辐射臂、第二上辐射臂和第二下辐射臂表面上均设置有吸波海绵。

6.根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述第一阻抗变换器包括第一上平板金属件、第一下平板金属件和第一馈电口射频转换接头，所述第一上平板金属件一端与第一馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第一上辐射臂短端连接，所述第一下平板金属件一端与第一馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第一下辐射臂短端连接。

7.根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述第二阻抗变换器包括第二上平板金属件、第二下平板金属件和第二馈电口射频转换接头，所述第二上平板金属件一端与第二馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第二上辐射臂短端连接，所述第二下平板金属件一端与第二馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第二下辐射臂短端连接。

8.根据权利要求2所述的雷达天线，其特征在于，通过计算的辐射臂的阻抗变化，并通过确定的第一上下辐射臂短端距离和第一上下辐射臂长端距离，将天线臂的横截面近似成平行板波导，计算出天线上下辐射臂的宽度，得到第一上辐射臂、第一下辐射臂的形状；接收天线组件中的上下辐射臂与发射天线的上下辐射臂相同。

9.根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述雷达天线为超宽带雷达天线。

10.一种雷达，包括权利要求1-9任意一项所述的雷达天线。

说明书

雷达天线和包含其的雷达

技术领域

[0001] 本发明涉及电子行业雷达技术领域，尤其涉及一种雷达天线和和包含该雷达天线的雷达。

背景技术

[0002] 超宽带雷达技术通常采用无载频脉冲体制，通过超宽带的特性来获得高分辨率成像。在道路病害、轨道检测等领域，超宽带雷达具有快速高效、非侵入式检测等特点，在近几十年迅速发展。高速公路建设不仅惠及民生，同时又对国民经济具有重要推动作用。针对高速公路路面分层、道路质量检测等，空耦型超宽带探地雷达具有广阔的应用前景。

[0003] 天线作为雷达的前端传感器，一方面负责将电信号转换成电磁波并向目标媒质辐射，另一方面也要接收来自目标媒质的后向散射回波。天线的特性对雷达系统的探测离和分辨率具有重要的影响。超宽带天线在近几十年受到较多关注，也涌现出众多研究成果。应用于超宽带探地雷达的天线，根据不同的应用环境，天线也具有不同的形式。针对地耦形式的超宽带雷达工作方式，天线多采用具有平面结构的半波偶极子形式；针对空耦形式的超宽带工作方式，天线通常采用横电磁波(TEM)喇叭形式。高速公路路基到路面一般为17cm，其中分层为厘米级，这需要雷达天线具有宽带宽。同时为了便于工程作业，要求天线具有紧凑的尺寸。为了获得浅表层信息，还要求天线具有拖尾少、低振铃的时域特性。

[0004] 目前应用于高速公路探测的雷达天线存在带宽较低，或者尺寸不够紧凑的问题，这不利于雷达系统的工程化应用。

发明内容

[0005] 鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种超宽带雷达天线。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种雷达天线，包括发射天线组件和接收天线组件，其中：

[0007] 所述发射天线组件包括：第一上辐射臂、第一下辐射臂和第一阻抗变换器；所述第一上辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第一上辐射臂短端，另一端为第一上辐射臂长端；所述第一下辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第一下辐射臂短端，另一端为第一下辐射臂长端；所述第一下辐射臂短端和所述第一上辐射臂短端通过所述第一阻抗变换器连接；

[0008] 所述接收天线组件包括：第二上辐射臂、第二下辐射臂和第二阻抗变换器；所述第二上辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第二上辐射臂短端，另一端为第二上辐射臂长端；所述第二下辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第二下辐射臂短端，另一端为第二下辐射臂长端；所述第二下辐射臂短端和第二上辐射臂短端通过所述第二阻抗变换器连接。

[0009] 根据本发明的一具体实施方案，所述第一上辐射臂和第一下辐射臂对称设置，设定两个辐射臂长度方向的对称线为雷达天线轴向方向，则两个辐射臂沿雷达天线轴向的阻抗变化按照以下方式计算：

[0010]

[0011]

[0012] ξ＝2x/l          (3)

[0013]

[0014] 其中，rmax是指雷达天线反射系数，Z2值为辐射臂长端阻抗，Z1值为辐射臂短端阻抗，公式(1)中求出中间变量B，f0为天线中心频率，l为喇叭天线轴线长度，x为沿雷达天线轴向的变量，取值为0-l，ξ为中间变量，I0{·}表示一阶修正贝塞尔函数，Z(ξ)为沿雷达天线轴向的阻抗变化值。

[0015] 优选的，通过计算的辐射臂的阻抗变化，并通过确定的第一上下辐射臂短端距离和第一上下辐射臂长端距离，将天线臂的横截面近似成平行板波导，计算出天线上下辐射臂的宽度，得到第一上辐射臂、第一下辐射臂的形状。

[0016] 优选的，接收天线组件中的上下辐射臂与发射天线的上下辐射臂相同[0017] 根据本发明的一具体实施方案，雷达天线还包括支撑件，所述支撑件包括一个棱柱，该棱柱包括一个棱和两个斜面，所述第一上辐射臂和第一下辐射臂分别设置在所述两个斜面上并且相对于所述棱对称设置，所述第二上辐射臂和所述第二下辐射臂也分别设置在所述两个斜面上并且相对于所述棱对称设置。

[0018] 根据本发明的一具体实施方案，所述第一上辐射臂、第一下辐射臂、第二上辐射臂和第二下辐射臂表面上均设置有吸波海绵。

[0019] 根据本发明的一具体实施方案，所述第一阻抗变换器包括第一上平板金属件、第一下平板金属件和第一馈电口射频转换接头，所述第一上平板金属件一端与第一馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第一上辐射臂短端连接，所述第一下平板金属件一端与第一馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第一下辐射臂短端连接。

[0020] 根据本发明的一具体实施方案，所述第二阻抗变换器包括第二上平板金属件、第二下平板金属件和第二馈电口射频转换接头，所述第二上平板金属件一端与第二馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第二上辐射臂短端连接，所述第二下平板金属件一端与第二馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第二下辐射臂短端连接。

[0021] 根据本发明的一具体实施方案，所述雷达天线为超宽带雷达天线。

[0022] 根据本发明的另一方面，提供一种雷达，包括以上任意一种所述的雷达天线。

[0023] 通过上述技术方案，本发明的雷达天线和雷达所实现的有益效果在于：

[0024] (1)通过采用具有平滑阻抗渐变结构的辐射臂，减少回波损耗，且具有良好的宽带特性；

[0025] (2)通过将阻抗变换器设计为空气微带型结构，天线整体尺寸紧凑进一步提高宽带特性，拓展天线带宽，利于雷达系统的工程化应用；

[0026] (3)通过采用吸波海绵，吸收喇叭天线张口处电流反射，降低天线回波损耗，并使得天线具有拖尾小、低振铃的特性。

附图说明

[0027] 图1a-1c分别为本发明一具体实施方式的雷达天线的分解立体结构示意图、一侧面立体结构示意图和另一侧面立体结构示意图；

[0028] 图2为本发明一具体实施方式的雷达天线中阻抗变换器结构示意图；

[0029] 图3为本发明一具体实施方式的雷达天线的回波损耗实测曲线图；

[0030] 图4为本发明一具体实施方式的雷达天线应用于高速公路路面探测测试图。

[0031] 主要元件符号说明

[0032] 1第一上辐射臂；2第二上辐射臂；

[0033] 3支撑件；4、7吸波海绵；

[0034] 5第一阻抗变换器；6第二阻抗变换器；

[0035] 8第一下辐射臂；9第二下辐射臂；

[0036] 10上平板金属件；11下平板金属件；

[0037] 12射频连接头。

具体实施方式

[0038] 本发明中所使用的序数例如”第一”、”第二”等用词，以及相应的部件，其本身并不包含及代表该部件有任何之前的序数，也不代表某一部件与另一组件的顺序、或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一部件得以和另一具有相同命名的部件能作出清楚区分。

[0039] 本发明的发明构思在于提供了一种雷达天线，其能够高速公路探对高分辨率的要求。

[0040] 本发明提供一种雷达天线，包括发射天线组件和接收天线组件，其中，[0041] 所述发射天线组件包括：第一上辐射臂、第一下辐射臂和第一阻抗变换器；所述第一上辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第一上辐射臂短端，另一端为第一上辐射臂长端；所述第一下辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第一下辐射臂短端，另一端为第一下辐射臂长端；所述第一下辐射臂短端和所述第一上辐射臂短端通过所述第一阻抗变换器连接；

[0042] 所述接收天线组件包括：第二上辐射臂、第二下辐射臂和第二阻抗变换器；所述第二上辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第二上辐射臂短端，另一端为第二上辐射臂长端；所述第二下辐射臂具有两端，宽度较小的一端为第二下辐射臂短端，另一端为第二下辐射臂长端；所述第二下辐射臂短端和第二上辐射臂短端通过所述第二阻抗变换器连接。

[0043] 对于辐射臂的设置方式，优选的，发射天线组件的上下辐射臂与接收天线组件的上下辐射臂形设置方式相同。对于发射天线组件的上下辐射臂，第一上辐射臂和第一下辐射臂对称设置，设定两个辐射臂长度方向的对称线为雷达天线轴向方向，则两个辐射臂沿雷达天线轴向的阻抗变化按照以下方式计算：

[0044]

[0045]

[0046] ξ＝2x/l          (3)

[0047]

[0048] 其中，rmax是指雷达天线反射系数，Z2值为辐射臂长端阻抗，Z1值为辐射臂短端阻抗，公式(1)中求出中间变量B，f0为天线中心频率，l为喇叭天线轴线长度，x为沿雷达天线轴向的变量，取值为0-l，ξ为中间变量，I0{·}表示一阶修正贝塞尔函数，Z(ξ)为沿雷达天线轴向的阻抗变化值。

[0049] 优选的，所述雷达天线还包括支撑件，所述支撑件包括一个棱柱，该棱柱包括一个棱和两个斜面，所述第一上辐射臂和第一下辐射臂分别设置在所述两个斜面上并且相对于所述棱对称设置，所述第二上辐射臂和所述第二下辐射臂也分别设置在所述两个斜面上并且相对于所述棱对称设置。

[0050] 优选的，所述第一上辐射臂、第一下辐射臂、第二上辐射臂和第二下辐射臂表面上均设置有吸波海绵。

[0051] 对于阻抗变换器的设置：优选的，所述第一阻抗变换器包括第一上平板金属件、第一下平板金属件和第一馈电口射频转换接头，所述第一上平板金属件一端与第一馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第一上辐射臂短端连接，所述第一下平板金属件一端与第一馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第一下辐射臂短端连接。优选的，所述第二阻抗变换器包括第二上平板金属件、第二下平板金属件和第二馈电口射频转换接头，所述第二上平板金属件一端与第二馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第二上辐射臂短端连接，所述第二下平板金属件一端与第二馈电口射频转换接头连接，另一端与所述第二下辐射臂短端连接。

[0052] 优选的，所述雷达天线为超宽带雷达天线。

[0053] 以下结合具体实施方案，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，将不再详细说明。

[0054] 在本发明的一个具体实施方案中，提出了一种用于高速公路探测的超宽带雷达天线，该天线频带为0.8GHz～14GHz。

[0055] 图1a-1c分别为本发明一具体实施方式的雷达天线的分解立体结构示意图、一侧面立体结构示意图和另一侧面立体结构示意图。图2为本发明实施例超宽带雷达天线中阻抗变换器立体结构示意图。如图1和图2所示，本实施例超宽带雷达天线包括：发射天线组件和接收端组件。发射天线组件包括：第一上辐射臂1和第一上辐射臂8，第一阻抗变换器5；接收天线组件包括：第二上辐射臂2和第二上辐射臂9，第二阻抗变换器6。其中，第一阻抗变换器5和第二阻抗变换器6均有类似的结构，均包括类微带结构金属平板10和11，以及射频转接头12。发射天线和拉收天线由支撑件3固定。吸波海绵4和7粘接固定于发射和接收天线表面。发射天线和接收天线位于同一水平线上。

[0056] 以下分别对本实施方案超宽带雷达天线的各个组成部分进行详细说明。

[0057] 请参照图1a-1c和图2，发射天线和接收天线均具有相同的辐射臂结构，也具有相同的阻抗变换器结构，本实施例对天线上下辐射臂和阻抗变换器结构进行说明时，仅按发射天线组件进行说明。

[0058] 以发射天线为例。第一上辐射臂1和第一下辐射臂8对称，两个辐射臂靠近阻抗变换器一侧间隔2毫米，辐射臂末端间隔192毫米。辐射臂靠近阻抗变换器一侧宽度为12毫米，末端宽度为188毫米。天线靠近阻抗变换器一侧的输入阻抗为50欧姆，辐射臂末端对应自由空间，其阻抗为377欧姆。从天线张口处(上下辐射臂间隔2毫米处)到天线口径处(上下辐射臂间隔192毫米处)，天线轴向长度为180毫米，阻抗由50欧姆变换到377欧姆，并按照修正汉克曲线变化，具体求解过程如下

[0059]

[0060]

[0061] ξ＝2x/l          (3)

[0062]

[0063] 其中，rmax是指喇叭天线反射系数，一般设定为0.05，Z2值为377欧姆，Z1值为50欧姆。因此，公式(1)可以求出中间变量B。在公式(2)中，f0为天线工作频带的中心频率，并由公式(2)可求出喇叭天线轴线长度l。在公式(3)中，x为沿喇叭天线轴向的变量，取值为0-l，代入公式(4)，可以求出沿喇叭天线轴向的阻抗变化值。其中，I0{·}表示一阶修正贝塞尔函数。

[0064] 知道沿喇叭天线沿轴向阻抗变换后，并已确定喇叭张口处和喇叭口径处高度，再将喇叭天线臂的横截面近似成平行板波导，可以计算出天线上下辐射臂的宽度，即得到上下辐射臂的形状。接收天线组件中的上下辐射臂与发射天线相同。发射天线与接收天线中心距为350毫米。采用修正汉克曲线，使得喇叭天线在轴长固定时，得到光滑的阻抗渐变，并因此获得宽频带的特性。天线的阻抗变换器部分仍然以发射天线侧为例。如图2所示，阻抗变换器由上平板金属件10、下平板金属件11和射频转接头12构成。阻抗变换器上下平板金属件之间的高度与辐射臂张口处高度相同，并且平衡型转换到非平衡型(射频转接头处)，其阻抗转换比为1∶1。阻抗变换器接射频转接头的地方，由半径为8毫米、角度为60度的弧形构成，其圆心位于射频转接头的探针部位。由于喇叭天线张口处阻抗为50欧姆平衡型，射频同轴接处为50欧姆非平衡型，并已确定阻抗变换器上下平板间的高度，因此可由微带线计算方法可以求出阻抗转换器10和11的宽度。

[0065] 发射天线组件和接收天线组件均由厚度约2毫米的黄铜板制备，也可用使用类似金属材料进行加工。发射天线和接收天线由支撑件3进行固定，支撑件3一般选用发泡塑料，其介电常数与空气介电常数相近。天线臂表面粘附的吸波海绵，用以拓展天线带宽和减少后向辐射。

[0066] 本实施方案中，天线臂表面粘附吸波海绵，吸波海绵与金属辐射臂均保持接触。本领域技术人员应当明了，吸波海绵一般为铁氧体吸波材料，能对目标频段的电磁波起到吸收作用，具有结构紧凑超宽带的特性，满足系统对探测精度的要求。此处吸波材料介电常数约为2.2，损耗正切约为0.001S/m。

[0067] 本实施方案中，为了固定天线臂和支撑件、天线臂和吸波海绵，可以使用粘合度较好的胶水类物质，或者通过高温胶带进行固定。

[0068] 图3为本发明实施方案雷达天线的回波损耗实际测试曲线图。在频带为0.8～14GHz时，回波损耗小于-10dB。其中，回波损耗换算成驻波系数，即驻波系数为2时，回波损耗约为-9.6dB。按照一般穿墙成像雷达天线应用VSWR＜2，可以看出天线在0.8～14GHZ频带范围内都能非常好地满足要求。

[0069] 图4为本发明实施方案雷达天线与发射机及接收机集成后在高速公路实测结果图。在图中可以看到，高速公路分辨率高，能够很清楚地判定分层的位置。

[0070] 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发明雷达天线有了清楚的认识。

[0071] 需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

[0072] (1)天线辐射组件和天线接收组件，以及阻抗变换器的加工材质还可以是其他金属，例如：金、银和锡等；

[0073] (3)除了高速公路探测的应用领域之外，该雷达天线还可以应用于其他领域。

[0074] 综上所述，本发明雷达天线具有超宽带、结构紧凑等特点，能够满足高速公路探测雷达系统对探测精度的要求。

[0075] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。