一种平面双频脉冲辐射天线

技术领域

本发明属于探地雷达天线技术领域，具体涉及一种平面双频脉冲辐射天线。

背景技术

探地雷达具有无损探测、高效成像的特点，可以对地下的非均匀结构进行非入侵式探测以及跟踪成像。探地雷达天线需要具有超宽带、高效率和良好的时域脉冲辐射特性，才能实现高精度的探测效果。

在现有的探地雷达天线的研究成果中，天线为单频天线，难以应对不同深度目标的探测工作。将多个工作频段不同的天线集成在系统内，将会使系统更加庞大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种平面双频脉冲辐射天线，该天线用于探地雷达系统，具有双工作频带，能够实现不同深度目标的探测需求，且结构简单、紧凑，重量轻，实现了系统的紧凑化和轻型化。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种平面双频脉冲辐射天线，包括：介质基板，为一正方向板体，其上表面、且靠近顶端印制矩形辐射贴片。在矩形辐射贴片的中心处加载有圆形槽线，在圆形槽线的末端加载有向下的平行槽；平行槽的顶端与圆形槽线相连通，末端延伸至矩形辐射贴片的边缘。

在介质基板下表面、且位于矩形辐射贴片所在的区域印制有一微带馈电线，微带馈电线与圆形槽线相连接，用于将能量耦合到矩形辐射贴片。

在介质基板上表面，且位于平行槽的底部印制高频辐射贴片；在介质基板上表面、且位于高频辐射贴片底部印制低频辐射贴片；高频辐射贴片和低频辐射贴片均为两个，各以穿过平行槽的轴线为对称轴，左右对称分布；且各高频辐射贴片和低频辐射贴片均各自与平行槽相连通。

进一步地，该微带馈电线包括位于圆形槽线左侧或右侧、且与圆形槽线相切的第一宽度渐变的微带线，第一宽度渐变的微带线的端部垂直连接有第二宽度渐变的微带线，且第二宽度渐变的微带线的走向朝向圆形槽线侧，且与圆形槽线相切，在第二宽度渐变的微带线的末端印制有扇形微带，且扇形微带的短截线位于第二宽度渐变的微带线的同向延长线上。

进一步地，该矩形辐射贴片的长边与介质基板的长度相同，且两者的上端及左右边缘均相平齐。

进一步地，该高频辐射贴片和低频辐射贴片均为片状体，且末端为朝向顶部的尖角结构；各高频辐射贴片和低频辐射贴片的两侧边缘均为曲线边缘。

本发明具有如下优点：1.通过高频辐射贴片和低频辐射贴片辐射两个频段的信号，实现了双频脉冲辐射的性能特点。2.低频辐射贴片设置在同一平面上，所以最终的天线是简单的平面结构，容易加工和集成，节省了系统的成本，拥有很好的应用前景。3.平面双频脉冲辐射天线在两个工作频段都拥有高方向性和高增益，能量集中向主辐射方向集中，前后比高，可以提升天线辐射的信号强度，增强系统的探测能力。

附图说明

图1为本发明中一种平面双频脉冲辐射天线的平面图；

图2为本发明中一种平面双频脉冲辐射天线的背面示意图；

图3为本实施例的回波损耗曲线图；

图4为为本实施例的主辐射方向增益仿真曲线图；

图5为375MHz源馈电时本实施例的时域信号波形图；

图6为900MHz源馈电时本实施例的时域信号波形图；

其中：1.介质基板；2.双频辐射贴片；2-1.低频辐射贴片；2-2.高频辐射贴片；3.耦合馈电部分；3-1.微带馈电线；3-11.第一宽度渐变的微带线；3-12.第二宽度渐变的微带线；3-13.扇形微带；3-2.矩形辐射贴片；3-3.圆形槽线；3-4.平行槽线。

具体实施方式

在本发明中，一种平面双频脉冲辐射天线的工作原理如下：特定频率的信号从同轴线馈入，电流通过介质基板1下表面的微带馈电线通过电磁感应耦合到上表面的矩形辐射贴片3-2上。微带馈电线3-1的尺寸设计考虑兼顾两个频带的中心频率。电流耦合到矩形辐射贴片3-2后，在平行槽线附近流动，产生的电场被辐射贴片3-2束缚，然后继续沿着双频辐射贴片2向前流动。由于高频辐射贴片2-2和低频辐射贴片2-1的位置、开口宽度、延伸长度都不同，可以有效将流入信号按频率分开。高频信号会首先在距离矩形辐射贴片3-2更近的高频辐射贴片2-2上流动，并形成辐射场；低频信号则会继续向前，电流主要集中在位于下方的低频辐射贴片2-1上，并形成辐射场。这两个辐射贴片的结构同样是平面喇叭天线，所以产生场的工作原理是相同的，都会将能量集中向圆形槽线3-3的开口方向辐射，产生很高的方向性和增益。双频辐射贴片2末端的尖角结构改变了电流在末端的路径，有效减少了末端的电流反射，使增益进一步提高，增益随频率变化的曲线也更加平滑。本发明中的平面双频脉冲辐射天线可以辐射两个频段的信号，有效增强信号强度，提高前向接收到的时域信号的幅度。平面喇叭的结构使天线具有很好的空气耦合性能，同时因为将两个频段的辐射结构设置在同一平面内，结构较为简单，提升了加工和集成的效率，使系统更加紧凑和轻便，在工程应用上显示出更深的潜力。

本发明一种平面双频脉冲辐射天线，如图1和2所示，包括介质基板1，为一正方向板体，其上表面、且靠近顶端印制矩形辐射贴片3-2。在矩形辐射贴片3-2的中心处加载有圆形槽线3-3，在圆形槽线3-3的末端加载有竖直向底部的平行槽线3-4；平行槽线3-4的顶端与圆形槽线3-3相连通，末端延伸至矩形辐射贴片3-2的边缘。矩形辐射贴片3-2的长边与介质基板1的长度相同，且两者的上端及左右边缘均相平齐。圆形槽线3-3是指开设于矩形辐射贴片3-2处的一个圆孔，平行槽线3-4是指开设在矩形辐射贴片3-2上的一槽孔。

在介质基板1下表面、且位于矩形辐射贴片3-2所在的区域印制有一微带馈电线3-1，微带馈电线3-1与圆形槽线3-3相连接，用于将能量耦合到矩形辐射贴片3-2。

在介质基板1上表面，且位于平行槽线3-4的底部印制高频辐射贴片2-2；在介质基板1上表面、且位于高频辐射贴片2-2底部印制低频辐射贴片2-1；高频辐射贴片2-2和低频辐射贴片2-1均为两个，各以穿过平行槽线3-4的轴线为对称轴，左右对称分布；且各高频辐射贴片2-2和低频辐射贴片2-1均各自与平行槽线3-4相连通。高频辐射贴片2-2和低频辐射贴片2-1组合在一起，为双频辐射贴片2.

上述微带馈电线3-1包括位于圆形槽线3-3左侧或右侧、且与圆形槽线相切的第一宽度渐变的微带线3-11，第一宽度渐变的微带线3-11的端部垂直连接有第二宽度渐变的微带线3-12，且第二宽度渐变的微带线3-12朝向圆形槽线3-3侧，且与圆形槽线3-3相切，在第二宽度渐变的微带线3-12的末端印制有扇形微带3-13，且扇形微带3-13的短截线位于第二宽度渐变的微带线的同向延长线上。微带馈电线3-1、矩形辐射贴/3-2、圆形槽线3-3和平行槽共同组成了耦合馈电部分3。上述微带馈电线3-1均采用金属铜材质。

上述高频辐射贴片2-2和低频辐射贴片2-1均为片状体，且末端为朝向顶部的尖角结构；各高频辐射贴片2-2和低频辐射贴片2-1的两侧边缘均为曲线边缘。

上述高频辐射贴片2-2和低频辐射贴片2-1间不相连接，以形成独立的流通通道。可设计为如下，高频辐射贴片2-2由相连接的第一抛物线段和第二抛物线段组成，第一抛物线段和第二抛物线段成一夹角，且第二抛物线段的末端为尖角结构。高频辐射贴片2-2和低频辐射贴片2-1的末端张开口朝向被测物。

该第一抛物线段由上下两个上端连接，下端向下、并朝向其所在侧的外侧延伸的抛物线围成；第二抛物线段由两个向上延伸，且末端连接的上下两个抛物线围成，且第二抛物线的两个抛物线的前端与第一抛物线段的对应的抛物线相连接。此处所给出的上下是以图1中的上下为准。

上述低频辐射贴片2-1由相连接的第三抛物线段和第四抛物线段组成；第三抛物线段由上下两个上端连接，下端向下、并朝向其所在侧的外侧延伸的曲线围成，其上部曲线为抛物线，下部曲线为指数型渐变曲线，以防止高频辐射贴片2-2和低频辐射贴片2-1重叠连接。第四抛物线段由两个向上延伸，且末端连接的上下两个抛物线围成，且第四抛物线的两个抛物线的前端与第三抛物线段的对应的抛物线相连接。

设计本发明中的一种平面双频脉冲辐射天线，介质基板1采用聚四氟乙烯与玻璃纤维、陶瓷的合成材料，介电常数为10.2，损耗角正切为0.003，厚度为3mm。

以图1中显示的方向为基准，建立坐标系，竖直轴为x轴，向下的方向为正，垂直于x轴的横轴为y轴，向右为正。

该矩形辐射贴片3-2的宽度为60mm，圆形槽线的圆心位于(30mm，0)，直径为30mm，所述平行槽线的宽度为1.5mm，长度为15mm。

高频辐射贴片2-2的第一抛物线段的上下边缘的抛物线分别为±Y＝(X-60)

以高频辐射贴片2-2在+y一侧的末端结构为例，组成尖角的两段抛物线分别为X＝-(Y-125)

该第一宽度渐变的微带线3-11与介质基板1的中轴线水平距离为15mm，长度为33.75mm，宽度由3mm至1mm成线性渐变；第二宽度渐变的微带线3-12长度为35.25mm，宽度由1.5mm至1.1mm成线性渐变。扇形微带短截线的一边与相连接的微带线同向，边长为15mm，圆心角为60°。

将设计的一种平面双频脉冲辐射天线应用于探地雷达系统，作为收发天线，分别将中心频率为375MHz和900MHz的短脉冲信号由同轴线馈入，能量通过介质基板1下表面的微带馈电线3-1，通过电磁感应耦合到上表面的矩形辐射贴片3-2上，并沿着平行槽线3-4向前流动。产生的电场被矩形辐射贴片3-2束缚，然后继续沿着双频辐射贴片2向前流动。高频信号会首先在距离矩形贴片更近的高频辐射贴片2-2上流动，并形成辐射场；低频信号则会继续向前，电流主要集中在位于下方的低频辐射贴片2-1上，并形成辐射场。两者将能量集中向圆形槽线3-3开口方向辐射，产生很高的方向性和增益。

如图3所示，为本实施例的回波损耗曲线图，本实施例的天线工作频带有两个，分别为400MHz～548MHz和850MHz～960MHz，可以满足深度探测的需求。

如图4所示，为本实施例的主辐射方向增益仿真曲线图，通带内的增益都在5dB以上，两个频点的峰值分别为5.85dB和7.75dB，在两个工作频段都有高增益。

如图5和6所示，分别是375MHz和900MHz源馈电时本实施例的时域信号波形图，在两个频段均呈现较好的时域性能。