一種用于生命探測(cè)雷達(dá)的超寬帶天線

邵金進(jìn) 紀(jì)奕才 方廣有 陰和俊

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

③(中國(guó)科學(xué)院 北京 100864)

1 引言

近年來(lái)，伴隨著城市化進(jìn)程的加快，城市的高大建筑日趨增多，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位，各種管道、線路交錯(cuò)縱橫的密度加大以及城市人口密集等問(wèn)題使自然或人為災(zāi)害等各類(lèi)突發(fā)事件的潛在危險(xiǎn)與日俱增。因此，為確保在緊急救援中用最短的時(shí)間找到被困人員，開(kāi)展先進(jìn)的生命救助探測(cè)與定位方法研究具有十分重要的意義[1]。由于超寬帶雷達(dá)技術(shù)具有穿透性好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)以及系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)越特性被廣泛應(yīng)用與研究[2]。天線作為輻射和接收電磁波的部件，是生命探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵部分，它直接影響著整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。通常超寬帶型雷達(dá)系統(tǒng)中常用的天線類(lèi)型有：電阻加載的蝶形天線及其變形[3-8]，TEM喇叭天線[9,10]以及小型TSA天線[11-13]等等。在介質(zhì)穿透型雷達(dá)中，為了良好地與介質(zhì)耦合，尤以平面天線[14-16]為主。對(duì)于超寬帶天線而言，在低頻端天線往往具有電尺寸小的特點(diǎn)，天線臂上行波特征不明顯，同時(shí)由天線臂的截?cái)嘈?yīng)引入的反射也會(huì)惡化天線的時(shí)域特性。文獻(xiàn)[3,7]提到通過(guò)電阻或介質(zhì)加載的方法來(lái)吸收天線末端不連續(xù)部分引起的反射電流，能夠起到抑制輻射脈沖拖尾，展寬天線工作帶寬的作用，但也會(huì)消耗掉一部分的能量。因此往往需要在時(shí)域特性與輻射效率間進(jìn)行折中選擇。

傳統(tǒng)的半波對(duì)稱(chēng)振子天線是諧振式結(jié)構(gòu)，頻帶寬度比較窄。為了展寬頻帶，通常的做法是使振子具有較大的截面積，從而使振子沿線各點(diǎn)的特性阻抗處處不變，減少因特性阻抗不連續(xù)而引起的反射，這也是蝶形天線形成的過(guò)程。另一種常用的做法是在天線末端接匹配電阻，以吸收可能由于天線末端以及自由空間阻抗失配引起的反射波能量。本文采用橢圓形結(jié)構(gòu)[14-16]取代了傳統(tǒng)蝶形結(jié)構(gòu)[3,4]，提出了一種槽縫調(diào)諧的半橢圓形偶極子天線。通過(guò)選擇合適軸比的半橢圓組成天線臂，使導(dǎo)體沿著振子向末端方向具有連續(xù)的漸變阻抗，同時(shí)引入電阻加載技術(shù)有效地減小了天線臂上不連續(xù)點(diǎn)引起的反射電流，改善了天線的輸入阻抗特性，拓寬了天線帶寬。相比蝶形天線[7]，采用半橢圓形[14]的天線具有更低的阻抗特性和更好的帶寬特性。

2 天線的結(jié)構(gòu)

按照蝶形天線的阻抗計(jì)算公式[4]，天線臂張角越大，天線對(duì)應(yīng)著一個(gè)變化越小的特性阻抗曲線，帶寬也越大，這非常有利于天線端口的匹配。但是一個(gè)大的張角必然會(huì)引出一個(gè)更大的尺寸要求，這是不利于雷達(dá)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的。為此在盡量不增加尺寸的條件下本文采用了橢圓形結(jié)構(gòu)的天線臂，通過(guò)將直邊圓弧化達(dá)到類(lèi)似增大天線臂張角的效果。為了更好地反映出橢圓結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文在相同尺寸和條件下對(duì)蝶形結(jié)構(gòu)和橢圓形結(jié)構(gòu)的天線進(jìn)行了建模仿真，圖 1給出了仿真的阻抗特性曲線。如圖1所示，在保證尺寸不變的條件下，可以看到相對(duì)于蝶形結(jié)構(gòu)，橢圓形由于近似具有更大的張角，能夠獲得更加平穩(wěn)的阻抗和更大的帶寬特性。因此橢圓形結(jié)構(gòu)[15]是一種較好的選擇。

圖1 特性阻抗的比較

圖2給出了天線的結(jié)構(gòu)示意圖。天線由兩個(gè)半橢圓形天線臂構(gòu)成，天線臂末端引入一對(duì)半圓槽縫。通過(guò)優(yōu)化確定橢圓的長(zhǎng)半軸為a= 1 89 mm，短半軸為b= 9 0 mm ，饋電中心間距d= 2 mm,r=85 mm。整副天線印制在 400 mm 200 mmL×W= ×的FR-4介質(zhì)板上，其介電常數(shù)為4.4，厚度為1 mm。為了達(dá)到屏蔽后向輻射與減小外界干擾的目的，設(shè)計(jì)采用了一個(gè)5面金屬的矩形反射腔[7,15]，天線位于腔的開(kāi)口面上，腔體高度為H= 5 1 mm 。同時(shí)使用緊湊的 1:2不平衡到平衡傳輸線變換器實(shí)現(xiàn)饋電，以減小了天線整體的尺寸，便于系統(tǒng)集成。

3 仿真測(cè)試結(jié)果及分析

借助3維電磁仿真軟件HFSS10對(duì)天線進(jìn)行了建模和仿真優(yōu)化，以確定天線及槽縫尺寸和加載值的最優(yōu)參數(shù)。最后按照設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)際制作和測(cè)試。對(duì)比仿真和測(cè)量結(jié)果，對(duì)天線的駐波特性、輸入阻抗和輻射特性進(jìn)行了分析和研究。

3.1 傳輸線饋電巴倫的特性及分析

圖2 天線結(jié)構(gòu)圖

阻抗匹配問(wèn)題是超寬帶技術(shù)中比較重要的一部分。對(duì)于微波頻段及以上的寬帶匹配往往采用微帶漸變線、共面波導(dǎo)或者電磁耦合的饋電方式。但對(duì)于低頻段的寬帶匹配設(shè)計(jì)，由于受限于1/4波長(zhǎng)電尺寸的限制，微帶漸變線尺寸較大。合理的做法是通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)使天線阻抗特性降低到期望的阻抗范圍以便于直接匹配[6]，或者采用傳輸線變壓器的方式完成阻抗匹配設(shè)計(jì)。從圖1中可以看出，設(shè)計(jì)的半橢圓形天線在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)的輸入阻抗圍繞 100 Ω左右變化，輸入電抗部分很小，所以天線采用特性阻抗為 100 Ω的饋線進(jìn)行平衡饋電是比較合適的。本文采用了一個(gè)商用的 1:2不平衡到平衡傳輸線變壓器來(lái)完成阻抗匹配，它由一塊小巧低成本的FR4介質(zhì)板搭載置于天線饋電位置。饋電板的具體結(jié)構(gòu)圖如圖3(a)所示，其尺寸為 1 6× 1 8× 1 .6mm3，按照雙面印刷電路板的設(shè)計(jì)方法制作而成，黑色部分為頂面布局，灰色部分為底面結(jié)構(gòu)。按照微帶線與平行雙線的阻抗計(jì)算式，設(shè)計(jì)采用 50 Ω微帶輸入，100 Ω平衡雙線輸出。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并將其結(jié)果與評(píng)估板給定參考值進(jìn)行了比較，如圖3所示?？梢钥吹皆?0~1400 MHz頻帶范圍內(nèi)，此饋電結(jié)構(gòu)具有駐波小于2，插入損耗小于1.5 dB的良好特性。由于設(shè)計(jì)偏差以及選用的搭載傳輸線變壓器介質(zhì)板與評(píng)估板的不同，其測(cè)量值與評(píng)估板的參考值存在一定差異，但其特性也已經(jīng)能夠滿(mǎn)足本文天線阻抗匹配的要求。

3.2 天線的特性分析

為了更好地削弱由于天線末端與自由空間失配引起的反射波能量，從而避免脈沖信號(hào)的拖尾振蕩，在天線末端引入半橢圓形槽縫調(diào)諧和電阻加載技術(shù)。為了研究半圓槽對(duì)天線臂上分布電流的影響，圖4對(duì)比給出了在頻率400 MHz時(shí)天線臂上有無(wú)半圓槽的表面電流分布情況。從圖 4(a)可以看到，在天線末端的截?cái)噙吔缟洗嬖谥欢ǖ碾娏鞣植?，僅僅依靠天線臂末端的加載電阻并不能有效地將其吸收。考慮到電荷具有尖端放電現(xiàn)象，為此采用一個(gè)半圓槽對(duì)天線末端進(jìn)行銳化，以增強(qiáng)天線臂上殘余電流的集中，便于電阻更充分地吸收。從圖4(b)可以看到，半圓槽的引入很好地起到了引導(dǎo)天線末端的殘余電流向加載電阻收攏的作用，能夠削弱由于終端截?cái)嗍湟鸬姆瓷洹?/p>

由于雷達(dá)是以檢測(cè)微弱的偏移擾動(dòng)來(lái)判別人體目標(biāo)是否存在，所以抑制后向輻射，屏蔽來(lái)自地面的干擾信號(hào)能用有效地減少不必要的誤判，因此合理設(shè)計(jì)一個(gè)背腔是十分必要的。為了便于雷達(dá)系統(tǒng)工程化要求，設(shè)計(jì)中引入了一個(gè)矩形屏蔽腔。由于一個(gè)固定尺寸的天線背腔可以看作一個(gè)窄帶系統(tǒng)，同時(shí)腔體表面的感應(yīng)電流與天線的互耦作用一定程度上也會(huì)影響天線的駐波特性以及接收信號(hào)波形，所以對(duì)背腔高度的設(shè)計(jì)比較關(guān)鍵[4]。通常設(shè)計(jì)是按照最強(qiáng)頻點(diǎn)的1/4波長(zhǎng)來(lái)確定，但這將產(chǎn)生一個(gè)很大的腔體結(jié)構(gòu)，不利于后期的系統(tǒng)集成。而且很多設(shè)計(jì)中[3,4]，1/4波長(zhǎng)尺寸也并不是最優(yōu)的，很多時(shí)候不能達(dá)到期望的結(jié)果，因此需要對(duì)其做出一個(gè)合理的選擇。本文優(yōu)化選擇了一個(gè)合理的腔體高度，并結(jié)合恰當(dāng)?shù)募虞d電阻使天線、腔體在低頻段構(gòu)成一個(gè)良好的電流回路，削弱背腔對(duì)端口特性以及接收波形帶來(lái)的不利影響，達(dá)到折中的效果。

圖5給出了不同高度的腔體對(duì)天線端口特性的仿真結(jié)果。可以看到，當(dāng)腔體高度為51 mm以上時(shí)駐波系數(shù)具有比較一致的結(jié)果，隨著腔體高度增加，天線的駐波曲線也在逐漸抬高。相比較而言，當(dāng)腔體高度為31 mm時(shí)天線在低頻段具有相對(duì)大的駐波系數(shù)，而在高頻部分則比較低，總體特性要差于51 mm 的設(shè)計(jì)。同時(shí)由于背腔的鏡面效應(yīng)，一個(gè)過(guò)低的背腔會(huì)很大程度上削弱前向輻射的信號(hào)，因此選擇腔體高度H為51 mm是比較合適的，天線在整個(gè)帶寬內(nèi)都具有較好的阻抗匹配特性。按照優(yōu)化選定的尺寸加工天線，并進(jìn)行了測(cè)試。由于生命探測(cè)雷達(dá)一般工作于類(lèi)似混凝土墻體或廢墟等介質(zhì)條件下，因此為了更好地驗(yàn)證天線的實(shí)際性能，在仿真模型中引入一層 50 cm 厚的墻體介質(zhì)(εγ=6.4,σ= 0 .002 s/m)，圖 6給出了天線在通頻帶內(nèi)仿真和測(cè)試的端口駐波。在低頻段仿真與測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性，在高頻段則存在一定差異，這主要是由于仿真中無(wú)法建立傳輸線變壓器的模型而引起的。盡管如此，天線在通頻帶內(nèi)都具有較好的駐波特性和匹配特性，能夠適應(yīng)工作環(huán)境的需要。

圖3 饋電結(jié)構(gòu)及其特性

圖4 頻率400MHz時(shí)不同天線臂上的表面電流分布

對(duì)于脈沖雷達(dá)而言，要求天線對(duì)信號(hào)具有良好的波形保真性，能夠維持較低的振蕩水平以利于微弱信號(hào)的提取。因此為了更好地反映出天線的時(shí)域特性，這里借用了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)頻轉(zhuǎn)換模塊對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試。圖7給出了人體目標(biāo)位于天線前方3.2 m時(shí)的回波信號(hào)，從波形上能清楚地看到人體的回波信號(hào)，并且主輻射波后面的振蕩還是較小，維持在10%以下。圖8給出了雙天線系統(tǒng)軸線方向上1.5 m位置接收到的前后回波信號(hào)，從波形幅度的比較可以看到，天線的前后比達(dá)到12 dB左右，說(shuō)明屏蔽腔的引入能夠有效地增強(qiáng)天線的定向性，使天線具有避免引入外界微弱信號(hào)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)干擾的作用。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，將天線應(yīng)用于一套工作在中心頻率400 MHz的脈沖生命探測(cè)雷達(dá)中。圖 9(a)為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，在實(shí)驗(yàn)中雷達(dá)緊貼放置于厚度為24 cm的混凝土墻面，被測(cè)人員坐于墻后約3.3 m的位置正常呼吸。圖 9(b)為雷達(dá)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看到，在3.8 m位置存在一個(gè)微小波動(dòng)，其距離即為人體所在位置，疊加的波動(dòng)即為人體呼吸運(yùn)動(dòng)引起的。

圖5 不同高度的腔體對(duì)天線端口特性的影響

圖6 天線駐波

圖7 測(cè)量的時(shí)域回波信號(hào)圖

圖8 測(cè)量的前后向輻射信號(hào)

圖9 生命探測(cè)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4 結(jié)論

本文介紹了一種用于生命探測(cè)雷達(dá)的超寬帶低背腔平面天線。它采用橢圓形結(jié)構(gòu)以及緊湊的 1:2不平衡到平衡傳輸線變壓器饋電。為了屏蔽后向輻射與外界干擾，設(shè)計(jì)中引入了一個(gè)矩形反射腔。同時(shí)為了消除天線臂截?cái)嘈?yīng)引起的反射電流，采用電阻加載和半圓槽達(dá)到收攏并有效吸收天線臂上殘余電流的目的，改善了天線的輸入阻抗和帶寬特性。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線尺寸緊湊，具有良好的時(shí)域特性，能夠滿(mǎn)足生命探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的工作要求。

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