一種生命探測(cè)裝備的超寬帶天線設(shè)計(jì)

楊傳法, 劉晴晴, 張獻(xiàn)生, 劉陵玉, 孫中琳, 常天英

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南 250014)

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一種生命探測(cè)裝備的超寬帶天線設(shè)計(jì)

楊傳法, 劉晴晴, 張獻(xiàn)生, 劉陵玉, 孫中琳, 常天英

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南 250014)

通過Ansoft HFSS電磁軟件對(duì)天線模型參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一款新型電磁偶極子寬帶天線。該天線阻抗帶寬2～4GHz、前后比達(dá)10 dB，體積小。測(cè)試結(jié)果表明其性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)需求，并已應(yīng)用到生命探測(cè)裝備中。

超寬帶；探測(cè)定位；電磁偶極子

近年來，地質(zhì)災(zāi)害和人為災(zāi)難頻繁發(fā)生，造成大量人員被困。在救援過程中，如果能對(duì)被掩埋或其他物理隔離的幸存者進(jìn)行快速準(zhǔn)確的探測(cè)與定位，就能縮短發(fā)現(xiàn)幸存人員的時(shí)間，提高幸存人員獲救的概率。因此，開展先進(jìn)的生命救助探測(cè)與定位技術(shù)及裝備研究，具有十分重要的意義。

生命探測(cè)技術(shù)是對(duì)生命信號(hào)進(jìn)行特征處理和檢測(cè)的方法。該技術(shù)是采用各種方法和手段來獲取這些信號(hào)進(jìn)行分析，從而判定生命體的存在與否。超寬帶生命探測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于強(qiáng)大的屏蔽物穿透能力、非接觸生命探測(cè)和高精度生命體探測(cè)定位性能，因而這種探測(cè)技術(shù)被廣泛研究和應(yīng)用[1-2]。超寬帶天線作為生命探測(cè)裝備的重要組成部分，其主要功能是將超寬帶電磁波信號(hào)發(fā)射至空氣中并從空氣中接收，即為收發(fā)鏈路與空氣的信號(hào)耦合器，其性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此新型超寬帶天線研究具有重要意義[3]。

超寬帶天線研究初期，其結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，天線尺寸較大[4]。對(duì)于高精度搜救雷達(dá)系統(tǒng)，天線要在滿足高增益、大帶寬的同時(shí)，天線方向角足夠大。通常超寬帶型雷達(dá)系統(tǒng)中常用的天線類型有蝶形縫隙天線、Vivaldi天線、TEM喇叭天線等。其中，蝶形縫隙天線尺寸在80 mm×150 mm左右，不利于雷達(dá)系統(tǒng)的小型化，并且蝶形縫隙天線兩維波束寬度相差較大，不能實(shí)現(xiàn)兩維寬波束的輻射方向圖；Vivaldi天線尺寸更大，在150 mm×200 mm左右，而且該天線波束寬度略窄，兩維都在60°左右；TEM喇叭天線是窄波束天線，波束寬度僅在10°左右，不適合用在大范圍探測(cè)中。電磁偶極子天線具有超寬帶、寬波束、尺寸小、安裝簡(jiǎn)單并且抗干擾性好的特點(diǎn)，被廣泛地研究和使用[5]。本文基于矩形電磁偶極子天線原理，利用電磁軟件Ansoft HFSS仿真設(shè)計(jì)，一款新型超寬帶天線。

2 電磁偶極子天線理論及仿真設(shè)計(jì)

2.1 電磁偶極子天線原理

以Luk等學(xué)者提出的典型矩形寬帶電磁偶極子天線為例(天線模型見圖1)，將平面形式的電偶極子天線和短路貼片形式的磁偶極子天線結(jié)合在一起，電偶極子的輻射方向圖在E面呈“8”字型，H面呈字母O型，磁偶極子正好相反，方向圖在E面和H面相互補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了E面和H面的方向圖相似，同時(shí)添加了大地板，抑制了背面方向的輻射[6-7]。

圖1 典型模型Fig.1 Antenna model

電磁偶極子天線一般采用Γ狀探針激勵(lì)，饋線的第一部分和短路貼片以及空氣構(gòu)成了50 Ω的微帶傳輸線，把信號(hào)從同軸傳輸?shù)金伨€的第二部分。第二部分是水平饋線部分，這部分把信號(hào)耦合到電偶極子和磁偶極子上，這部分主要決定了電磁偶極子天線的輸入阻抗，水平饋線部分呈電感特性。第三部分是垂直開路部分，呈容性，通過調(diào)節(jié)長(zhǎng)度來抵消第二部分的感性[8]。

從圖2中天線輸入駐波特性可知，典型的電磁偶極子絕對(duì)帶寬在1.2 GHz左右，相對(duì)帶寬僅有40%。需要重新進(jìn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足生命探測(cè)雷達(dá)天線的需要[9]。

圖2 典型駐波特性Fig.2 Antenna input VSWR

2.2 主要工作參數(shù)確定

2.2.1 工作頻率

由于生命信號(hào)的頻率很低，如果要分辨出生命信號(hào)，需采用高頻率電磁波?？紤]到電磁波穿透性與波長(zhǎng)成正比，所以要在穿透能力和生命信號(hào)分辨能力上進(jìn)行綜合考慮。權(quán)威數(shù)據(jù)表明，最佳生命信號(hào)探測(cè)頻率為S波段：

(1)

上式中，ΔR為待測(cè)生命體距離生命探測(cè)裝備的距離，Δτ為雷達(dá)信號(hào)從生命探測(cè)裝備發(fā)射傳輸至生命體再反射回生命探測(cè)裝備接收的所用時(shí)間，c為電磁波真空傳播速度，即3×108m/s；B為雷達(dá)信號(hào)帶寬。由式(1)可知，信號(hào)的帶寬B決定了雷達(dá)的距離分辨率[10]，即生命體定位精度。對(duì)于人體來講，定位精度需要10 cm左右，探測(cè)信號(hào)選擇工作頻率為2 ～ 4 GHz。因此天線工作頻率2 ～ 4 GHz[11]。

2.2.2 方向性確定

天線輻射角度決定了生命探測(cè)裝備的探測(cè)范圍，大范圍探測(cè)能力要求天線具有較大輻射角度。另一方面，生命探測(cè)裝備附近的操作人員，其生命特征信號(hào)亦有可能被生命探測(cè)裝備探測(cè)到，并且該信號(hào)相比障礙物后的生命特征信號(hào)能量更強(qiáng)。為降低操作人員的生命特征信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，天線需要具有較高的前后比。

本文天線設(shè)計(jì)指標(biāo)為回波損耗S11小于-10 dB(VSWR小于2.0)；E面不小于70°，H面不小于100°，且方向圖隨頻率變化穩(wěn)定；通帶內(nèi)增益不小于5 dBi；前后比大于10 dB。

2.3 天線建模仿真及測(cè)試分析

天線采用了新型饋電的電磁偶極子形式，同時(shí)使用U型地板，保證天線定向輻射并盡可能增大前后比。而E面和H面本身相互垂直，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)一個(gè)垂直極化的天線[12]。天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design of antenna structure

基于矩形電磁偶極子天線原理，利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)天線尺寸進(jìn)行了優(yōu)化分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：(1)反射底板增加了兩個(gè)邊圍側(cè)壁，提高了方向性和增益；(2)偶極子平面進(jìn)行開槽，提高了輻射性能；(3)探針末端改成水平條狀，更好地實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配；(4)將水平電偶極子傾斜一定角度，展寬了天線的波束寬度。經(jīng)過多次參數(shù)調(diào)整，最終確定各組成單元尺寸參數(shù)，見表1。

表1 天線各組成單元尺寸參數(shù)

表1中L、L2尺寸參數(shù)為實(shí)際尺寸，水平電偶極子傾斜角度為15°。天線板材選用重量輕、導(dǎo)電性能好的鋁板。天線實(shí)物圖見圖4。

圖4 天線實(shí)物圖Fig.4 Figure of real antenna

天線經(jīng)加工后，利用天線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線進(jìn)行了測(cè)試和性能分析。天線測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā)射極化轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)控制驅(qū)動(dòng)器、標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、ZVL-6、暗室、計(jì)算機(jī)以及天線自動(dòng)測(cè)量軟件多個(gè)軟硬件部分組成。其中測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)方位精度0.1°，移動(dòng)精度1 mm，接收極化精度0.2°。天線測(cè)試系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線選用西安恒達(dá)公司生產(chǎn)AVTADR20180，其工作帶寬為2～18 GHz。

經(jīng)測(cè)試，天線各項(xiàng)參數(shù)均與仿真結(jié)果相吻合，符合天線設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。仿真測(cè)試對(duì)比分析見圖5～7。其中圖5和圖6為天線回波損耗和通帶內(nèi)天線增益性能，圖7為各通帶內(nèi)不同頻率點(diǎn)E面、H面方向圖性能。從仿真結(jié)果可以看出，通過將探針末端改成水平條狀，天線帶寬可以覆蓋2 ～ 4 GH2，相對(duì)帶寬從40%提高到66.7%；通過采用U型地板，在減小地板的尺寸的基礎(chǔ)上保證了前后比和增益不變；通過將水平電偶極子傾斜，將H面波束寬度從80°擴(kuò)展到100°。

圖5 天線回波損耗Fig.5 Antenna return loss

圖6 天線2.0～4 GHz增益特性Fig.6 The gain characteristics of the antenna 2.0 ～ 4 GHz

圖7 不同頻率點(diǎn)E面、H面方向圖仿真、測(cè)試對(duì)比Fig.7 Simulation and test comparison of E and H surface pattern at different frequency

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的超寬帶天線，通過數(shù)值仿真和實(shí)際測(cè)試研究了該天線的特性，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果能夠較好地吻合。測(cè)試結(jié)果表明，該天線具有寬頻帶、高前后比、結(jié)構(gòu)尺寸小的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于超寬帶生命探測(cè)裝備中。

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Design of an ultra-wideband antenna for the life detector

YANG Chuan-fa，LIU Qing-qing，ZHANG Xian-sheng，LIU Ling-yu，SUN Zhong-lin，CHANG Tian-ying

(Institute of Automation, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

∶In this paper, a new type of electromagnetic dipole wideband antenna was designed based on simulating and optimizing parameters of electromagnetic antenna model by Ansoft HFSS software. The band width of this antenna can be 2～4 GHz，the front and back ratio of it measures up to 10 dB，and the volume is tinny. Then, the antenna was tested and the results revealed that it could meet the design requirements. So far the antenna has been successfully used in life detection equipment.

∶ultra-wide band； detection and location； electromagnetic dipole

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.03.017

2016-09-28

山東省自然科學(xué)基金(ZR2014FP006)；山東省科學(xué)院院基礎(chǔ)基金(科基合字(2015)第52號(hào))；山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)(2014CGZH1104)

楊傳法(1983—)，男，助理研究員，研究方向?yàn)槲⒉?、毫米波、太赫茲探測(cè)成像。E-mail:wb_ycf@163.com

TN012

A

1002-4026(2017)03-0098-05