一种新型连续波雷达天线的制作方法

1.本实用新型涉及无线电波的反射/再辐射技术领域，具体涉及一种新型连续波雷达天线。


背景技术：

2.小型连续波雷达具有体积小、质量轻、功能强、成本低、全天候、高分辨、探测性能稳定、环境适应性好等优点，具有广泛的军事和民用前景，是当前研究热点。
3.脉冲雷达利用收发开关完成信号接收与信号发射的分开，连续波雷达与脉冲雷达的差别是前者在时间上无法将收发信号分开，所以连续波雷达一般采用物理上独立的接收天线和发射天线；收发天线作为连续波雷达的重要部分，其收发天线间的耦合是影响整个雷达系统性能的重要因素，收发天线间隔离度是关键指标，它直接决定了雷达系统的性能，当收发隔离度较小时，泄露的发射信号容易泄露到接收机，发射信号不仅会淹没微弱的目标回波、降低接收机灵敏度，还会影响成像效果、差分形变测量效果，甚至造成接收机饱和失效。
4.针对连续波雷达收发隔离度对雷达指标的影响，传统的方法是通过增加收发天线之间的距离来减小隔离度，但是会大大增加雷达的体积和重量，在设计过程中希望能找到一种既能够不过多增加雷达体积和重量、又能够提高收发天线隔离度的技术。
5.因此，如何设计一款收发具有高隔离度的连续波雷达天线，已经成为本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本实用新型提供一种至少解决上述部分技术问题的新型连续波雷达天线，该新型连续波雷达天线提高了收发天线间的隔离度，减少了信号泄露，提高了接收机的灵敏度，尽可能使泄露的信号低于灵敏度而不被检测到，进而提高了雷达系统的整体性能。
7.本实用新型实施例提供一种新型连续波雷达天线，包括：壳体、第一发射天线、第一接收天线、第二发射天线、第二接收天线和天线安装框；
8.其中，所述天线安装框设置于壳体内将所述壳体内部分为四个区域；所述第一发射天线、第一接收天线、第二发射天线和第二接收天线分别相应安装在四个区域内；
9.所述天线安装框顶部安装有隔离板。
10.优选的，所述第一发射天线和第二发射天线相对安装或相邻安装。
11.优选的，所述第一发射天线、第一接收天线、第二发射天线和第二接收天线的阵面均与天线安装框高度在同一水平面上。
12.优选的，所述隔离板采用以下材质中的任一种：铝、铁、银、铅、铜和金。
13.优选的，所述隔离板厚度为4-10mm,高度为15-30mm。
14.优选的，还包括天线罩，所述天线罩覆盖于所述第一发射天线、第一接收天线、第
二发射天线和第二接收天线的外部。
15.优选的，所述天线罩为介电常数4.0的石英材料构成。
16.优选的，所述天线罩的工作厚度为3-5mm。
17.优选的，所述隔离板的内外两侧和与隔离板水平位置相同的壳体内侧均铺设有吸波材料。
18.优选的，所述吸波材料的厚度为2mm。
19.本实用新型的上述技术方案的有益效果至少包括：
20.(1)采用加载隔离板的空间波抑制法，可减少发射天线副瓣产生经由空间直线传播到接收天线的电磁波，以达到提高收发天线隔离度的目的。
21.(2)采用合适厚度和低介电常数的天线罩，可明显减少天线罩对表面波的激励，也可以提高收发天线间的隔离度。
22.(3)通过在金属表面铺设吸波材料的表面波抑制法，能吸收或大幅减弱投射到它表面的电磁波能量，可有效减少金属表面的表面波电流与金属表面反射形成的多径反射，较大幅度的改善天线的隔离度。
23.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
24.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
25.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
26.图1为信号未饱和时能量谱图；
27.图2为信号饱和时能量谱图；
28.图3为未采用隔离措施的连续波雷达收发天线结构布局图；
29.图4为本实用新型实施例提供的天线安装框内部安装示意图；
30.图5为本实用新型实施例提供的收发天线增益图；
31.图6为本实用新型实施例提供的加装隔离板后的隔离效果图；
32.图7为本实用新型实施例提供的天线间加装隔离板示意图；
33.图8为本实用新型实施例提供的天线间加装隔离板剖视图；
34.图9为本实用新型实施例提供的天线罩厚度与透波率的关系图；
35.图10为本实用新型实施例提供的吸波材料透波性测试结果图；
36.图11为本实用新型实施例提供的铺设吸波材料位置示意图；
37.图12为本实用新型实施例提供的采用空间波和表面波抑制后的隔离度仿真图。
38.其中，图中；
39.1-第一发射天线；2-第一接收天线；3-第二发射天线；4-第二接收天线；5-天线安装框；6-隔离板a；7-隔离板b；8-隔离板c；9-隔离板d；10-壳体铺设吸波材料位置；11-隔离板铺设吸波材料位置。
具体实施方式
40.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
41.本实用新型实施例提供一种新型连续波雷达天线，涉及雷达的相关参数；其中，从雷达距离方程可知，在雷达天线增益、扫描时间、积累回波数等参数已确定的前提下，要提高雷达作用距离必须提高发射功率。但连续波雷达发射功率受收发隔离度指标的影响，发射信号功率会耦合到接收通道，影响雷达作用距离。主要影响因素表现在以下两个方面：
42.a)导致接收通道饱和
43.耦合进接收通道的发射信号过大会使接收前端低噪声放大器饱和，失去正常放大功能，造成接收回波信号失真，影响后续检测。
44.对于单一点目标，连续波雷达接收信号经过低噪放混频后，就变成差频信号，如果差频信号未饱和，经过快速傅里叶变换(fft)运算后即可得到能量的频域分布，如附图1所示。但差频信号一旦饱和，经过fft运算后得到的频域分布就会失真，信号频谱失真，如附图2所示。
45.b)降低接收灵敏度
46.耦合进接收通道的发射信号会抬高接收机噪声电平，即使泄漏的发射信号没有使低噪声放大器饱和，也会提高噪声电平，降低接收机灵敏度。耦合到接收通道内的发射信号可以视为噪声，该信号经过混频后，除零频信号外，其它频率信号即为探测信号的噪声，该噪声的影响主要分为调幅噪声和调相噪声。
47.进入雷达接收通道的干扰信号大致可以分为带外干扰射频信号以及带内杂散信号。雷达接收通道对带外信号和带内信号的抑制度是不同的，每部雷达接收通道处理模块各有不同，但基本包含接收天线、低噪声放大器、射频滤波器、放大电路和混频电路、信号处理等六部分，每部分对干扰信号均有放大或抑制作用。最终，带外干扰射频信号以及带内杂散信号均要低于检测门限才不会影响检测信噪比，即发射信号不会干扰雷达探测。
48.通过上述分析，发射信号进入雷达接收通道，会改变雷达接收系统的信噪比。发射信号的噪声降低了雷达检测信噪比，最终表现在影响接收灵敏度，导致雷达性能下降。
49.参照附图3所示，本实用新型一共需要两只发射天线和两只接收天线，为使结构紧凑，四只天线须安装在同一平面。
50.如附图4所示，本连续波雷达内部，前后、左右相邻两只天线间隔较小，优选的，本实施例中将间隔设置为35mm，每只天线都通过天线安装框边上的安装孔进行固定，每只天线的阵面均和安装框高度在同一水平面上。
51.使用分析工具hfss对未采用隔离措施的天线间隔离度进行仿真，收发天线的指标见附图5所示，由附图5可知，该天线指标为：工作频段为14.9ghz时，天线增益29.2db。现对该工况下的天线水平隔离度lh进行计算，公式如下：
52.lh＝22.0 20log(d/λ)-(g
t
gr) (d
t
dr)
ꢀꢀ
(1)
53.公式(1)中：22.0为传播常速；d为收发天线水平间隔距离，取0.035m；λ为天线工作波长，λ＝c/f＝＝0.02m(公式中c为光速，f为工作频段14.9ghz)；g
t
和gr为天线增益，取
29.2db；d
t
和dr分别为发射天线和接收天线的方向性损耗，由于收发天线夹角为180
°
，方向性损耗即天线的前后比为37db。将以上值带入公式，可算出水平隔离度lh约为42.4db。
54.收发天线间的耦合由两部分组成:表面波和空间波。其中，由收发天线副瓣产生经空间直线传播的电磁波，称之为空间波。空间波的耦合强度方程式为:
[0055][0056]
式中:g2为自由空间波增益，λ为天线工作波长，r'为收发天线间的距离。
[0057]
天线的介质板引导电磁波在介质板表面的传播，发射天线的电磁波在介质表面传播时会对接收天线产生影响，这部分波被定义为表面波。表面波的耦合强度方程式为:
[0058][0059]
式中:g1为表面波增益。
[0060]
当介质基片比较薄，收发天线的距离较近时，表面波和空间波都会在较大程度上影响收发天线间隔离度。从上两个公式可看出，空间波随着收发天线间距的缩减，增长速度要比表面波增加得快。
[0061]
由于随着收发天线间距离变小，天线方向图主瓣宽度会变宽，会使能量发散，因此在设计时，应尽可能增大收发天线之间的距离，但是雷达体积尺寸受限，收发天线的距离不能太远，所以，本方案主要对天线间空间波和表面波的传播途径进行抑制。
[0062]
在本实施例中连续波雷达收发天线改善具体包括以下三种方案：
[0063]
实施例1、加载隔离板：
[0064]
本实施例提供的一种新型连续波雷达天线，如附图3、4和7所示，包括：壳体、第一发射天线、第一接收天线、第二发射天线、第二接收天线和天线安装框；天线安装框设置于壳体内将壳体内部分为四个区域；第一发射天线、第一接收天线、第二发射天线和第二接收天线分别相应安装在四个区域内；在天线安装框顶部安装有隔离板。
[0065]
其中，第一发射天线和第二发射天线相对安装或相邻安装，相应地，第一接收天线和第二接收天线相对安装或相邻安装。四只天线阵面均与天线安装框高度在同一水平面上。
[0066]
加载隔离板是通过一定高度的金属隔离板来阻断电磁波在空间上的传播。使用分析工具hfss对加载隔离板以后的隔离度进行仿真，结果如附图6所示：
[0067]
为了阻断电磁波在空间上的传播，并使结构紧凑，重量不增加过多，本实施例选择在天线安装框上加装一层金属隔离板，金属隔离板可采用铝、铁、银、铅、铜和金中任一种材质，由于铁、铅、铜和金在固定体积下，质量相对较重，且铁易生锈损坏、金、银价格昂贵；优选的，在本实施例中隔离板可采用较轻的铝板，使用寿命较长，且经济成本较低。
[0068]
其中，隔离板厚度可为4-10mm，高度可为15-30m,当设置隔离板厚度为4mm时，高度为15mm时，隔离板过薄过低隔离效果较差；当设置隔离板厚度为10mm，高度为30mm时，隔离板重量较大，且过高的隔离板会恶化天线方向图；优选的，本实施例采用的隔离板厚度为6mm，高度为22mm，收发天线间的间距仍为35mm，如图7、图8所示；
[0069]
加载隔离板后，隔离板比各天线阵面高约22mm，收发天线的隔离度得到了改善，但是表面波仍然还会通过金属隔离板进行传播，影响隔离效果，针对该情况下面采取方案继
续对表面波进行抑制。
[0070]
实施例2、天线外部加装石英材料的天线罩：
[0071]
在上述实施例1的基础上，本实施例提供的一种新型连续波雷达天线还包括天线罩，天线罩覆盖于第一发射天线、第一接收天线、第二发射天线和第二接收天线的外部，用于对雷达进行保护，天线罩由介电常数为4.0的石英材料构成。
[0072]
天线罩的介电常数越大，激起的表面波就会越多，随之收发天线间隔离度就会下降。天线罩厚度和介电常数是表面波敏感参数，因此通过改变这两个参数来减少表面波。
[0073]
常用的天线罩材料有玻璃纤维、环氧树脂等，但它们具有较高的介电常数，容易激发表面波，若覆盖天线罩进行保护，将其固定在天线的表面，则激起的表面波将通过天线罩到达接收天线端，造成收发天线间耦合增大，影响接收性能。
[0074]
为了降低天线间耦合，在本实施例中天线罩由介电常数为4.0左右的石英材料构成；为使天线罩具有较高透波率，天线罩厚可为度为3-5mm；当天线罩厚度为3mm时，重量较轻，但是易碎防护性较差，当天线罩厚度为5mm时，防护性好，但重量较大；优选的，在本实施例中采用3.8mm的天线罩厚度，其透波率约93％，天线罩厚度与透波率之间的关系见附图9所示；其te模式的最低次波型公式如下：
[0075][0076]
公式(4)中：δ为天线罩厚度，ε为天线罩介电常数，f为工作频率，当天线介电常数确定的情况下，通过减小δ，可使激发的表面波模式最小，提高收发天线间隔离度，降低收发天线间耦合，进而提升连续波雷达性能。
[0077]
实施例3、铺设吸波材料；
[0078]
在上述实施例1或2的基础上，本实施例提供的一种新型连续波雷达天线，在隔离板内外两侧和与隔离板水平位置相同的壳体内侧均铺设有吸波材料，吸波材料的厚度为2mm，吸波材料采用微米级片状铁基合金粉末与硅胶混合、分散、压制而成的软磁材料，吸波效果优异。
[0079]
当天线安装在金属框架内时，天线收发的微波能量一部分与框架产生的感应生成表面波电流，恶化了收发天线的隔离；一部分通过金属表面的反射形成多径反射，恶化了天线方向图。
[0080]
通过测试设备对吸波材料特性进行测试，结果见附图10所示。
[0081]
由附图10可以看出，在频率为15ghz时，吸波材料可以使隔离度提高15db左右；
[0082]
在本实施例中，选用2mm厚的吸波材料在两个位置进行铺设，一是在隔离板a-d的内外两侧都铺设吸波材料；二是在壳体内侧(与隔离板水平位置相同)也都铺设吸波材料，如附图11所示；
[0083]
通过以上处理，相当于在每只天线的周围一圈金属材料表面都铺上吸波材料，能够吸收其表面的电磁波能量，可减少收发天线间表面波在金属表面的直接传播，隔离效果非常明显。
[0084]
进一步地，采用以上第一种和第三种方案相结合的方式进行仿真测试，仿真图如附图12所示。
[0085]
由附图12可以看出，本实用新型通过采用加装隔离板、铺设吸波材料、的综合处理
手段后，连续波雷达收发天线隔离度得到了显著提高，隔离度由40db左右提升到了将近85db。
[0086]
本实用新型实施例提供的一种新型连续波雷达天线，通过采用空间波抑制法和表面波抑制法相结合的综合抑制法，可明显提高连续波雷达收发天线的隔离度，大幅度降低泄露的发射信号对接收机的影响，从而确保接收机的接收灵敏度，减小收发天线耦合，以此来提高雷达系统的整体性能。
[0087]
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。