一種用于生命探測雷達的超寬帶天線

邵金進 紀奕才 方廣有 陰和俊

①(中國科學院電子學研究所電磁輻射與探測技術重點實驗室 北京 100190)

②(中國科學院大學 北京 100049)

③(中國科學院 北京 100864)

1 引言

近年來，伴隨著城市化進程的加快，城市的高大建筑日趨增多，鋼筋混凝土結構占主導地位，各種管道、線路交錯縱橫的密度加大以及城市人口密集等問題使自然或人為災害等各類突發事件的潛在危險與日俱增。因此，為確保在緊急救援中用最短的時間找到被困人員，開展先進的生命救助探測與定位方法研究具有十分重要的意義[1]。由于超寬帶雷達技術具有穿透性好、分辨率高、抗干擾能力強以及系統復雜度低等優越特性被廣泛應用與研究[2]。天線作為輻射和接收電磁波的部件，是生命探測雷達系統中必不可少的關鍵部分，它直接影響著整個系統性能的好壞。通常超寬帶型雷達系統中常用的天線類型有：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。在介質穿透型雷達中，為了良好地與介質耦合，尤以平面天線[14-16]為主。對于超寬帶天線而言，在低頻端天線往往具有電尺寸小的特點，天線臂上行波特征不明顯，同時由天線臂的截斷效應引入的反射也會惡化天線的時域特性。文獻[3,7]提到通過電阻或介質加載的方法來吸收天線末端不連續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，但也會消耗掉一部分的能量。因此往往需要在時域特性與輻射效率間進行折中選擇。

傳統的半波對稱振子天線是諧振式結構，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的特性阻抗處處不變，減少因特性阻抗不連續而引起的反射，這也是蝶形天線形成的過程。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。本文采用橢圓形結構[14-16]取代了傳統蝶形結構[3,4]，提出了一種槽縫調諧的半橢圓形偶極子天線。通過選擇合適軸比的半橢圓組成天線臂，使導體沿著振子向末端方向具有連續的漸變阻抗，同時引入電阻加載技術有效地減小了天線臂上不連續點引起的反射電流，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 天線的結構

按照蝶形天線的阻抗計算公式[4]，天線臂張角越大，天線對應著一個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。但是一個大的張角必然會引出一個更大的尺寸要求，這是不利于雷達系統集成設計的。為此在盡量不增加尺寸的條件下本文采用了橢圓形結構的天線臂，通過將直邊圓弧化達到類似增大天線臂張角的效果。為了更好地反映出橢圓結構的特點，本文在相同尺寸和條件下對蝶形結構和橢圓形結構的天線進行了建模仿真，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，可以看到相對于蝶形結構，橢圓形由于近似具有更大的張角，能夠獲得更加平穩的阻抗和更大的帶寬特性。因此橢圓形結構[15]是一種較好的選擇。

圖1 特性阻抗的比較

圖2給出了天線的結構示意圖。天線由兩個半橢圓形天線臂構成，天線臂末端引入一對半圓槽縫。通過優化確定橢圓的長半軸為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介質板上，其介電常數為4.4，厚度為1 mm。為了達到屏蔽后向輻射與減小外界干擾的目的，設計采用了一個5面金屬的矩形反射腔[7,15]，天線位于腔的開口面上，腔體高度為H= 5 1 mm 。同時使用緊湊的 1:2不平衡到平衡傳輸線變換器實現饋電，以減小了天線整體的尺寸，便于系統集成。

3 仿真測試結果及分析

借助3維電磁仿真軟件HFSS10對天線進行了建模和仿真優化，以確定天線及槽縫尺寸和加載值的最優參數。最后按照設計結果進行了實際制作和測試。對比仿真和測量結果，對天線的駐波特性、輸入阻抗和輻射特性進行了分析和研究。

3.1 傳輸線饋電巴倫的特性及分析

圖2 天線結構圖

阻抗匹配問題是超寬帶技術中比較重要的一部分。對于微波頻段及以上的寬帶匹配往往采用微帶漸變線、共面波導或者電磁耦合的饋電方式。但對于低頻段的寬帶匹配設計，由于受限于1/4波長電尺寸的限制，微帶漸變線尺寸較大。合理的做法是通過適當設計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計。從圖1中可以看出，設計的半橢圓形天線在整個頻帶范圍內的輸入阻抗圍繞 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的饋線進行平衡饋電是比較合適的。本文采用了一個商用的 1:2不平衡到平衡傳輸線變壓器來完成阻抗匹配，它由一塊小巧低成本的FR4介質板搭載置于天線饋電位置。饋電板的具體結構圖如圖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計方法制作而成，黑色部分為頂面布局，灰色部分為底面結構。按照微帶線與平行雙線的阻抗計算式，設計采用 50 Ω微帶輸入，100 Ω平衡雙線輸出。為了驗證設計效果，對其進行了實驗測量，并將其結果與評估板給定參考值進行了比較，如圖3所示。可以看到在30~1400 MHz頻帶范圍內，此饋電結構具有駐波小于2，插入損耗小于1.5 dB的良好特性。由于設計偏差以及選用的搭載傳輸線變壓器介質板與評估板的不同，其測量值與評估板的參考值存在一定差異，但其特性也已經能夠滿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，從而避免脈沖信號的拖尾振蕩，在天線末端引入半橢圓形槽縫調諧和電阻加載技術。為了研究半圓槽對天線臂上分布電流的影響，圖4對比給出了在頻率400 MHz時天線臂上有無半圓槽的表面電流分布情況。從圖 4(a)可以看到，在天線末端的截斷邊界上存在著一定的電流分布，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象，為此采用一個半圓槽對天線末端進行銳化，以增強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斷失配引起的反射。

由于雷達是以檢測微弱的偏移擾動來判別人體目標是否存在，所以抑制后向輻射，屏蔽來自地面的干擾信號能用有效地減少不必要的誤判，因此合理設計一個背腔是十分必要的。為了便于雷達系統工程化要求，設計中引入了一個矩形屏蔽腔。由于一個固定尺寸的天線背腔可以看作一個窄帶系統，同時腔體表面的感應電流與天線的互耦作用一定程度上也會影響天線的駐波特性以及接收信號波形，所以對背腔高度的設計比較關鍵[4]。通常設計是按照最強頻點的1/4波長來確定，但這將產生一個很大的腔體結構，不利于后期的系統集成。而且很多設計中[3,4]，1/4波長尺寸也并不是最優的，很多時候不能達到期望的結果，因此需要對其做出一個合理的選擇。本文優化選擇了一個合理的腔體高度，并結合恰當的加載電阻使天線、腔體在低頻段構成一個良好的電流回路，削弱背腔對端口特性以及接收波形帶來的不利影響，達到折中的效果。

圖5給出了不同高度的腔體對天線端口特性的仿真結果。可以看到，當腔體高度為51 mm以上時駐波系數具有比較一致的結果，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，當腔體高度為31 mm時天線在低頻段具有相對大的駐波系數，而在高頻部分則比較低，總體特性要差于51 mm 的設計。同時由于背腔的鏡面效應，一個過低的背腔會很大程度上削弱前向輻射的信號，因此選擇腔體高度H為51 mm是比較合適的，天線在整個帶寬內都具有較好的阻抗匹配特性。按照優化選定的尺寸加工天線，并進行了測試。由于生命探測雷達一般工作于類似混凝土墻體或廢墟等介質條件下，因此為了更好地驗證天線的實際性能，在仿真模型中引入一層 50 cm 厚的墻體介質(εγ=6.4,σ= 0 .002 s/m)，圖 6給出了天線在通頻帶內仿真和測試的端口駐波。在低頻段仿真與測試結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，天線在通頻帶內都具有較好的駐波特性和匹配特性，能夠適應工作環境的需要。

圖3 饋電結構及其特性

圖4 頻率400MHz時不同天線臂上的表面電流分布

對于脈沖雷達而言，要求天線對信號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的提取。因此為了更好地反映出天線的時域特性，這里借用了矢量網絡分析儀的時頻轉換模塊對天線進行測試。圖7給出了人體目標位于天線前方3.2 m時的回波信號，從波形上能清楚地看到人體的回波信號，并且主輻射波后面的振蕩還是較小，維持在10%以下。圖8給出了雙天線系統軸線方向上1.5 m位置接收到的前后回波信號，從波形幅度的比較可以看到，天線的前后比達到12 dB左右，說明屏蔽腔的引入能夠有效地增強天線的定向性，使天線具有避免引入外界微弱信號對雷達系統干擾的作用。

為了進一步驗證設計的有效性，將天線應用于一套工作在中心頻率400 MHz的脈沖生命探測雷達中。圖 9(a)為實驗場景，在實驗中雷達緊貼放置于厚度為24 cm的混凝土墻面，被測人員坐于墻后約3.3 m的位置正常呼吸。圖 9(b)為雷達的實驗結果圖。從實驗結果中看到，在3.8 m位置存在一個微小波動，其距離即為人體所在位置，疊加的波動即為人體呼吸運動引起的。

圖5 不同高度的腔體對天線端口特性的影響

圖6 天線駐波

圖7 測量的時域回波信號圖

圖8 測量的前后向輻射信號

圖9 生命探測雷達實驗測試

4 結論

本文介紹了一種用于生命探測雷達的超寬帶低背腔平面天線。它采用橢圓形結構以及緊湊的 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，設計中引入了一個矩形反射腔。同時為了消除天線臂截斷效應引起的反射電流，采用電阻加載和半圓槽達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。計算結果和實驗測量結果表明，所設計的天線尺寸緊湊，具有良好的時域特性，能夠滿足生命探測雷達系統應用的工作要求。

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