CN113253263A - 一种三维穿墙雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维穿墙雷达系统，包括频率源、发射机、发射天线、接收天线、接收机、信号处理板和电源，所述频率源、发射机和接收机集成于同一PCB板上，形成射频集成板；所述信号处理板与射频集成板之间通过板间连接器连接；所述电源固定于所述射频集成板上，且通过电源接口与所述信号处理板直接连接；所述发射天线和接收天线均位于所述射频集成板的外周。本发明具有结构简单紧凑、重量轻、连接简单快速可靠等优点。

Description

一种三维穿墙雷达系统

技术领域

本发明主要涉及穿墙雷达技术领域，具体涉及一种三维穿墙雷达系统。

背景技术

由于雷达是用于穿墙检测，考虑到低频穿透性较好，那么雷达工作频率不能过高，这就会导致天线尺寸不会太小，从而雷达整体尺寸就会偏大。兼顾射频电路抗干扰能力，每个功能模块均采用单独结构屏蔽，最终固定在金属框架上（实现各模块之间共地），这样整机重量会大很多，且结构复杂。另外射频电路各端口只能通过射频线缆连接，增加信号衰减，电池也是通过较长电缆连接后给机芯供电，严重降低了电源效率。

对于现有三维穿墙雷达，也有采用多发多收的MIMO阵列形式实现三维成像，各电路模块采用单独屏蔽壳封闭，再固定在大金属板上，各模块通过线缆进行连接，最后安装在机壳中。上述设计方式具有如下缺点：

1、体积大、质量重：现有技术中，为了实现较好的抗干扰能力，各电路模块基本都是采用独立屏蔽结构安装，各模块单独用金属结构封闭再堆叠，必然会增加雷达厚度，并导致整机重量偏重；或者所有电路模块放在一个带有很多小屏蔽腔的金属结构中，最后还需要一大块金属板实现各模块固定及共地，同样体积大，质量重。另外各模块间射频线及其它线缆较长，体积大，必定会导致整机重量偏重。

2、信噪比低：现有技术中，天线与射频电路之间都是通过射频线缆进行连接，部分雷达中在天线与射频电路重还要增加射频开关，这必然会增加接收链路噪声，导致信号信噪比恶化。但是现有技术中，各模块独立安装，必然需要射频线连接以及射频开关来进行切换。

3、电池供电效率偏低且连接复杂：现有技术中，由于各模块独立封装，导致电池与供电电路之间只能依靠线缆进行连接供电，线缆上的损耗严重，降低了电池供电效率；而且机芯连接复杂，容易导致连接出错。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单紧凑、体积小、重量轻、连接简单快速的三维穿墙雷达系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种三维穿墙雷达系统，包括频率源、发射机、发射天线、接收天线、接收机、信号处理板和电源，所述频率源、发射机和接收机集成于同一PCB板上，形成射频集成板；所述信号处理板与射频集成板之间通过板间连接器连接；所述电源固定于所述射频集成板上，且通过电源接口与所述信号处理板直接连接；所述发射天线和接收天线均位于所述射频集成板的外周。

作为上述技术方案的进一步改进：

还包括机壳，所述频率源、发射机、发射天线、接收天线、接收机、信号处理板和电源均安装于所述机壳中。

所述发射天线和接收天线均通过射频连接器直接与所述射频集成板相连。

所述发射天线和接收天线均为叠层缝隙耦合天线；其中叠层缝隙耦合天线的缝隙层焊接到射频集成板上，叠层缝隙耦合天线的耦合层通过泡沫粘贴或者通过支柱固定在缝隙层上；射频集成板上的射频信号直接馈到天线缝隙层馈点处，再通过缝隙层上的缝隙辐射耦合至耦合层上，再辐射出去。

所述发射天线、接收天线和信号处理板均通过紧固件紧固在所述射频集成板上。

所述紧固件为螺钉或螺栓。

所述射频集成板整体呈矩形；各所述发射天线安装于矩形的射频集成板相对的两侧边上，各所述接收天线安装于矩形的射频集成板另一相对的两侧边上；各所述发射天线和接收天线的布置形状整体呈口形或类口形，形成均匀或者非均匀等效天线阵列。

所述射频集成板上设有安装孔，所述电源安装于所述安装孔内。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的三维穿墙雷达系统，将频率源、发射机和接收机集成于射频集成板上，集成度高；其中以射频集成板为底板作为支撑，信号处理板、发射天线和接收天线均直接安装于射频集成板上，不需要其它结构支撑件, 也不再需要厚重的金属屏蔽罩，节省大量金属结构，从而使得结构简单紧凑，重量轻；信号处理板与射频集成板之间通过板间连接器、天线与射频集成板之间通过连接接口进行连接，即采用对插形式，去除各部件之间的连线，连接快速可靠，不易出错，优化信号信噪比；电源与信号处理板之间通过电源接口采用对插直连形式，减小电源传输路径损耗，而且连接简单快速可靠；通过将雷达系统的各部件均固定在射频集成板上，并通过对接接口实现各部件之间的快速可靠连接，解决了模块间连接的复杂性和可能存在的不稳定性，同时保证了机芯厚度最薄，并且不再需要金属固定板，将射频集成板当作固定模块，天线与信号处理板直接往射频集成板上固定，进一步减小了整机重量和体积，实现了三维成像雷达的小型化和轻型化；发射天线和接收天线均安装在射频集成板的外周，发射天线和接收天线围合而成的区域则放置信号处理板和电源等，从而有效利用空间，进一步达到雷达轻小型的目的。

本发明根据雷达工作特性，从雷达工作频率入手分析，使用S波段的工作频率实现了雷达收发天线尺寸以及天线间距的缩小，从而缩减了三维成像雷达的天线阵列尺寸，也就是缩短了雷达的长度和宽度。

附图说明

图1为本发明的雷达系统在实施例的功能模块框图。

图2为本发明的雷达系统在实施例的结构框图。

图例说明：1、射频集成板；11、频率源；12、发射机；13、接收机；14、板间连接器；2、信号处理板；3、电源；4、接收天线；5、发射天线。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的三维穿墙雷达系统，包括频率源11、发射机12、发射天线5、接收天线4、接收机13、信号处理板2和电源3，其中频率源11，用于提供射频信号；发射机12，用于将频率源11提供的射频信号进行放大输出；发射天线5，用于将发射机12放大后的射频信号辐射出去；接收天线4，用于将反射回来的射频信号送入雷达接收机13进行处理；接收机13，用于将接收到的射频回波信号进行放大处理，并将射频信号进行下变频，完成中频采数；信号处理板2，用于对接收机13收到的数据进行处理，给出雷达检测结果；电源3（如电池），用于给雷达各部分进行供电；其中频率源11、发射机12和接收机13集成于同一PCB板上，形成射频集成板1；信号处理板2与射频集成板1之间通过板间连接器14连接；发射天线5和接收天线4均安装在射频集成板1的外周；电源3固定于射频集成板1上，且通过电源接口与信号处理板2直接连接。其中射频集成板1上需要屏蔽处使用金属屏蔽罩（如0.1mm厚）进行屏蔽处理。

本发明的三维穿墙雷达系统，将频率源11、发射机12和接收机13集成于射频集成板1上，集成度高；其中以射频集成板1为底板作为支撑，信号处理板2、发射天线5和接收天线4均直接安装于射频集成板1上，不需要其它结构支撑件, 也不再需要厚重的金属屏蔽罩，节省大量金属结构，从而使得结构简单紧凑，体积小，重量轻；

信号处理板2与射频集成板1之间通过板间连接器14进行连接，即采用对插形式，去除各部件之间的连线，连接快速可靠，不易出错，优化信号信噪比；电源3与信号处理板2之间通过电源接口采用对插直连形式，减小电源传输路径损耗，而且连接简单快速可靠；

通过将雷达系统的各部件均固定在射频集成板1上，并通过对接接口实现各部件之间的快速可靠连接，解决了模块间连接的复杂性和可能存在的不稳定性，同时保证了机芯厚度最薄，并且不再需要金属固定板，将射频集成板1当作固定模块，收发天线（包括发射天线5和接收天线4，下同）与信号处理板2直接往射频集成板1上固定，进一步减小了整机重量和体积，实现了三维成像雷达的小型化和轻型化；

发射天线5和接收天线4均安装在射频集成板1的外周，发射天线5和接收天线4围合而成的区域则放置信号处理板2和电源3等，从而有效利用空间，进一步达到雷达轻小型的目的。

在一具体实施例中，频率源11、发射机12、发射天线5、接收天线4、接收机13、信号处理板2和电源3均安装于一机壳中，结构简单紧凑。

在一具体实施例中，发射天线5、接收天线4和信号处理板2均通过紧固件（图中未示出）紧固在射频集成板1上。其中紧固件为螺钉或螺栓。具体地，收发天线通过螺钉固定在射频集成板1上，与射频集成板1之间通过快插式射频连接器进行连接。上述设计能够保证发射输出功率几乎没有衰减就能通过发射天线5辐射出去；接收天线4与接收链路间几乎也没有损耗，在相同接收链路条件下，整体接收链路噪声系数会小很多（如果接收天线4与接收链路之间线损有1dB，那么接收链路噪声系数就会增加1dB），也就是说这样处理能够保证发射天线5实际的发射功率足够，同时能够对接收信号的信噪比有一定的优化。

在另一具体实施例中，收发天线采用叠层缝隙耦合天线的形式，将收发天线的缝隙层焊接到射频集成板1上，射频集成板1上的射频信号通过过孔直接馈到天线缝隙层馈点处进行连接导通，天线耦合层通过泡沫粘贴或者通过支柱固定在射频集成板1上。这种方式将不需要射频连接器，就能实现收发天线与射频集成板1的连接，结构简单，进一步实现雷达的小型化和轻型化。其中叠层缝隙耦合天线为常规天线，具体包含两块PCB，下面一块为缝隙层，上面另一块为耦合层，中间有一定的空气间隔（空气间隔可以使用泡沫材料填充，两层通过耐高温胶水固定在泡沫材料上，也可以在两层之间增加支柱来进行固定），射频集成板1上的射频信号与缝隙层连接，射频信号再通过缝隙层上的缝隙辐射耦合至耦合层上，最后辐射出去。

在一具体实施例中，射频集成板1整体呈矩形；各发射天线5安装于矩形的射频集成板1相对的两侧边上，各接收天线4安装于矩形的射频集成板1另一相对的两侧边上；各发射天线5和接收天线4的布置形状整体呈“口”形或类“口”形。其中发射通道用时分的模式，多路接收同时工作采数，其中“口”字型天线架构设计，收发天线位于射频集成板1的四周，在收发天线围成的区域内，可以用于放置信号处理板2和电源3等，与传统的天线面不能放置其他模块相比，上述设计能够有效利用空间，达到雷达轻小型的目的。

在一具体实施例中，当雷达工作频率较高，就能保证三维成像天线阵列尺寸较小。根据雷达检测原理，天线之间的距离为半波长时，雷达检测效果最好，那么当雷达工作频率提升后，相应的波长也就变短，从而天线之间的间距就可以急剧缩短，从而能够实现小型化的天线阵列。故雷达的工作频率采用S波段频率；各发射天线5之间的间距以及各接收天线4之间的间距均为半波长，在保证三维成像的基础上，极大缩小天线阵列的大小，实现雷达整体长度和宽度的缩减。

在一具体实施例中，射频集成板1上设有安装孔，电源3（如电池）安装于安装孔内，再通过电池接口对插后直接给信号处理板2的机芯进行供电，极大缩短了供电路径，提升了电池供电效率。其中射频集成板1所有电源3以及控制信号都是由信号处理板2提供，射频集成板1上ADC采的数据通过板间连接器14传输。

本发明的所有部件都通过紧固件（如螺钉）锁定在射频集成板1上进行固定，不再需要金属固定板，且不用外部线缆连接各个模块，干净整洁，更加稳定可靠，并且机芯整体厚度也得到了极尽的压缩；本发明的设计，在雷达长度、宽度和厚度都实现了较大幅度的缩减，内部机芯连接简洁，整机重量也得到了显著的减小，实现了小型化、轻型化设计的目的，使得雷达使用更加便携、稳定可靠。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三维穿墙雷达系统，包括频率源（11）、发射机（12）、发射天线（5）、接收天线（4）、接收机（13）、信号处理板（2）和电源（3），其特征在于，所述频率源（11）、发射机（12）和接收机（13）集成于同一PCB板上，形成射频集成板（1）；所述信号处理板（2）与射频集成板（1）之间通过板间连接器（14）连接；所述电源（3）固定于所述射频集成板（1）上，且通过电源接口与所述信号处理板（2）直接连接;所述发射天线（5）和接收天线（4）均位于所述射频集成板（1）的外周。

2.根据权利要求1所述的三维穿墙雷达系统，其特征在于，还包括机壳，所述频率源（11）、发射机（12）、发射天线（5）、接收天线（4）、接收机（13）、信号处理板（2）和电源（3）均安装于所述机壳中。

3.根据权利要求1所述的三维穿墙雷达系统，其特征在于，所述发射天线（5）和接收天线（4）均通过射频连接器直接与所述射频集成板（1）相连。

4.根据权利要求1所述的三维穿墙雷达系统，其特征在于，所述发射天线（5）和接收天线（4）均为叠层缝隙耦合天线；其中叠层缝隙耦合天线的缝隙层焊接到射频集成板（1）上，叠层缝隙耦合天线的耦合层通过泡沫粘贴或者通过支柱固定在缝隙层上；射频集成板（1）上的射频信号直接馈到天线缝隙层馈点处，再通过缝隙层上的缝隙辐射耦合至耦合层上，再辐射出去。

5.根据权利要求1或2或3所述的三维穿墙雷达系统，其特征在于，所述发射天线（5）、接收天线（4）和信号处理板（2）均通过紧固件紧固在所述射频集成板（1）上。

6.根据权利要求5所述的三维穿墙雷达系统，其特征在于，所述紧固件为螺钉或螺栓。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的三维穿墙雷达系统，其特征在于，所述射频集成板（1）整体呈矩形；各所述发射天线（5）安装于矩形的射频集成板（1）相对的两侧边上，各所述接收天线（4）安装于矩形的射频集成板（1）另一相对的两侧边上；各所述发射天线（5）和接收天线（4）的布置形状整体呈口形或类口形，形成均匀或者非均匀等效天线阵列。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的三维穿墙雷达系统，其特征在于，所述射频集成板（1）上设有安装孔，所述电源（3）安装于所述安装孔内。

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