超寬帶生物雷達(dá)變頂角錐面陣的設(shè)計(jì)與仿真

梅佳磊，周培聰，劉仁鑫，熊新農(nóng)*

(1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330045；2. 江西省畜牧設(shè)施技術(shù)開發(fā)工程研究中心，江西 南昌 330045；3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045)

1 引言

近年來豬瘟、禽流感等傳染病疫情多有發(fā)生，對疫病畜禽類生命信息的近距離接觸式的監(jiān)測檢測會(huì)影響到人們的健康甚至生命安全，因此需要一種非接觸式遠(yuǎn)距離監(jiān)測檢測的技術(shù)方法。生物雷達(dá)能間隔一定距離、穿透一定厚度的電介質(zhì)非接觸地探測監(jiān)測呼吸、心跳等生命體參數(shù)信息，是紅外、光學(xué)及超聲等技術(shù)無法比擬的，對疫病畜禽類生命信息的監(jiān)測具有獨(dú)特優(yōu)勢和重大意義。由于超寬帶雷達(dá)具有穿透能力強(qiáng)、分辨能力高、測距精度高、功耗及系統(tǒng)復(fù)雜度較低等優(yōu)點(diǎn)，而為促進(jìn)生物雷達(dá)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)中的推廣應(yīng)用，適應(yīng)不同種類不同尺寸畜禽個(gè)體的監(jiān)測需要，雷達(dá)要有足夠的帶寬，因此畜禽類生命體征信息監(jiān)測采用超寬帶雷達(dá)更具優(yōu)勢空間。

天線作為雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，國內(nèi)外已開展了許多的超寬帶生物雷達(dá)天線研究，主要包括雙錐天線、TEM 喇叭天線、Vivaldi 天線、蝶形天線、螺旋天線等[1]，但是現(xiàn)有的超寬帶生物雷達(dá)天線都沒有涉及在固定基座上進(jìn)行變距變焦式監(jiān)測的問題，不利于多重多維地獲取疫病畜禽生命體參數(shù)信息，難以適應(yīng)畜禽疫病生命體的監(jiān)測診斷需要。對數(shù)周期天線作為一種頻率無關(guān)的天線，具有很好的超寬帶特性，采用對數(shù)周期天線陣列有利于獲取目標(biāo)的速度和方位信息，但當(dāng)前超寬帶生物雷達(dá)天線研究中，基于對數(shù)周期天線的研究相對較少。四川大學(xué)的程陽等設(shè)計(jì)了仰角可調(diào)的縮比變形對數(shù)周期天線，可實(shí)現(xiàn)對數(shù)周期天線變形，使其最大輻射方向在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)[5]。雖然其有利于引入極化信息參數(shù)，但僅為單根對數(shù)周期天線的變形，不利于目標(biāo)方位信息的獲取，對于疫病畜禽生命體參數(shù)信息的獲取仍有很大的局限性，而對于不同種類不同尺寸畜禽多目標(biāo)的監(jiān)測，更是難以實(shí)現(xiàn)。因此針對當(dāng)前畜禽類超寬帶生物雷達(dá)的現(xiàn)實(shí)問題，需要開展可改變頂角和孔徑的對數(shù)周期天線陣研究。

2 錐面陣的理論分析與設(shè)計(jì)

2.1 對數(shù)周期天線

對數(shù)周期天線(LPDA)由若干個(gè)不同長度的對稱振子排列而成，這些振子在頂點(diǎn)的饋電點(diǎn)向外的長度連續(xù)增加，各陣元的虛頂點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，最長振子和最短振子的長度由工作頻帶的上、下限決定，即

(1)

(2)

式(1)(2)中的λL和λU分別為對應(yīng)下限和上限頻率的波長。

其示意圖如圖1所示。

圖1 對數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)示意圖

對數(shù)周期天線由n個(gè)振子按比例因子τ排列結(jié)構(gòu)的，關(guān)系式為：

(3)

(4)

式(3)(4)中：dn為兩相鄰振子間的距離，ln為第n根振子的長度，Rn為第n根振子到天線虛頂點(diǎn)的距離，對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)由比例因子τ和振子端點(diǎn)與中心線之間的夾角α決定。

2.2 對數(shù)周期天線環(huán)形陣列設(shè)計(jì)

根據(jù)天線設(shè)計(jì)理論，對數(shù)周期天線由對稱振子按比例排列而成，超寬帶生物雷達(dá)變頂角錐面陣的接收天線采用各陣元天線虛頂點(diǎn)共圓的空心環(huán)設(shè)計(jì)的對數(shù)周期天線環(huán)形陣，g套對數(shù)周期天線水平放置。圖2中，以原點(diǎn)處的陣元為參考點(diǎn)，陣元的位置為(Rn，θg)，θg表示第g套對數(shù)周期天線軸線與x軸的夾角，其中n=1，2，…，N；g=1，2，…，G。

圖2 對數(shù)周期環(huán)形陣坐標(biāo)圖

這個(gè)陣列可以視為一個(gè)多端口網(wǎng)絡(luò)，所有陣列單元的電壓和電流的關(guān)系均可以由輸入阻抗表示

(5)

式(5)中，每一列對應(yīng)一個(gè)陣列單元，其中Zij(i=j)表示自阻抗；Zij(i≠j)表示第j個(gè)陣列單元對第i個(gè)陣列單元的互耦影響。

文獻(xiàn)[6]為滿足多種不同體型大小的低空飛行昆蟲監(jiān)測需要，設(shè)計(jì)了采用各陣元天線虛頂點(diǎn)共圓空心環(huán)式的對數(shù)周期偶極子天線環(huán)形陣，對各陣元振子加權(quán)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要“屏蔽”相應(yīng)的傳輸區(qū)和不激勵(lì)區(qū)振子，在信噪比較高的情況下適當(dāng)調(diào)整陣列的物理孔徑獲得了較高的陣列角度分辨力。為了更好地監(jiān)測不同體型、不同群體的畜禽，需要設(shè)計(jì)帶寬較寬，方向性不同的新型超寬帶生物雷達(dá)。

2.3 變頂角錐面陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的錐面陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示，錐面陣列在支撐管上設(shè)有呈對數(shù)周期排列的振子，振子對稱排列設(shè)置在支撐桿頂部，支撐桿底部與底座連接，并通過底座上的滑槽轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)傘形陣方向[7]。支撐桿插槽內(nèi)設(shè)置有鋸齒狀的調(diào)節(jié)條，支撐桿通過調(diào)節(jié)條的位置從而改變傘形陣的開合角度，從而實(shí)現(xiàn)變距變焦進(jìn)行更多維監(jiān)測目標(biāo)。

圖3 錐面陣列的結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于HFSS的錐面陣仿真

3.1 變頂角錐面陣模型構(gòu)建

所設(shè)計(jì)的天線采用HFSS15.0軟件進(jìn)行建模仿真。單位陣元為不同長度的半波振子天線組成的對數(shù)周期天線，錐面陣模型由六根相同的對數(shù)周期天線呈環(huán)形分布構(gòu)成，支撐桿與底座采用pec材料，通過改變錐面結(jié)構(gòu)的頂角θ，使天線陣子的極化方向發(fā)生變化，通過計(jì)算機(jī)仿真建模以分析不同θ時(shí)天線的性能情況。建模步驟可總結(jié)如下：

1) 確定天線各結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在軟件中設(shè)置；

2) 使用pec材料建立天線各結(jié)構(gòu)模型；

3) 添加合適大小的空氣腔并設(shè)置輻射邊界；

4) 添加端口并設(shè)置為集總端口激勵(lì)；

5)添加掃頻設(shè)置，并進(jìn)行仿真計(jì)算。

表1為天線的主要參數(shù)。

表1 天線的主要參數(shù)

3.2 不同頂角下天線性能分析

通過旋轉(zhuǎn)各對數(shù)周期天線，從而形成不同頂角的錐面陣，同時(shí)各振子的俯仰角均發(fā)生改變，所設(shè)計(jì)的天線收縮頂角的過程中，天線振子之間的耦合也會(huì)發(fā)生變化，因此以30°為單位步長，對不同頂角時(shí)的錐面陣天線分別進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。為防止天線頂角過小導(dǎo)致振子產(chǎn)生耦合嚴(yán)重與碰撞[8]，因此所設(shè)計(jì)的天線為180°至30°連續(xù)可調(diào)。

1)天線頂角θ=180°時(shí)電磁仿真軟件HFSS中建立的仿真模型，如圖4所示。

圖4 仿真模型θ=180°

根據(jù)仿真結(jié)果分析天線的中心頻率與有效帶寬，天線設(shè)計(jì)理論中認(rèn)為電壓駐波比(VSWR)<2的部分為天線的工作頻段[9]，天線頂角θ=180°時(shí)電壓駐波比隨頻率變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 θ=180°時(shí)VSWR

當(dāng)天線頂角θ=180°時(shí)，天線有效工作頻段為2.8-10GHz，中心頻率為6.4 GHz，滿足超寬帶天線設(shè)計(jì)要求。

2)天線頂角θ=90°時(shí)電磁仿真軟件HFSS中建立的仿真模型，如圖6所示。

圖6 θ=90°

天線頂角θ=90°時(shí)的電壓駐波比隨頻率變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 θ=90°時(shí)VSWR

當(dāng)天線頂角θ=90°時(shí)，天線有效工作頻段為2.1-10.2GHz，中心頻率為6.5 GHz，帶寬變寬，中心頻率略微有所偏移，滿足超寬帶天線設(shè)計(jì)要求。

3)以30°為步長，將180°至30°所有不同頂角的錐面陣天線仿真結(jié)果進(jìn)行整合，如表2所示。仿真數(shù)據(jù)分析表明，隨著頂角的變化，天線的中心頻率會(huì)略微產(chǎn)生偏移，工作頻率會(huì)發(fā)生明顯的變化：當(dāng)θ=90°時(shí)，天線最低頻率達(dá)到2.1GHz，當(dāng)θ=60°與30°時(shí)，最高頻率達(dá)到10.8GHz；而當(dāng)θ=90°時(shí)，天線的帶寬達(dá)到最寬的8.1GHz水平，當(dāng)θ=30°時(shí)，天線帶寬達(dá)到最窄的5.7GHz水平。仿真結(jié)果表面，通過對天線頂角的調(diào)節(jié)可以明顯改變天線的有效工作頻段，但天線的中心頻率并不會(huì)發(fā)生明顯變化。

表2 不同θ對天線帶寬的影響

天線方向圖與增益是表征天線性能的主要參數(shù)。天線增益是用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號的能力，而天線的方向性是指天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力。超寬帶生物雷達(dá)的變頂角錐面陣通過頂角調(diào)節(jié)，在不同的頂角θ對天線主要性能的影響情況，見表3。

表3 不同θ對天線性能的影響

仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線在將頂角θ從180°調(diào)節(jié)至30°的過程中，天線的方向性與增益均發(fā)生變化：天線頂角在180°時(shí)方向性系數(shù)與最大增益均為最高，隨著頂角的減小，天線的方向性系數(shù)與天線增益逐漸減弱，而當(dāng)θ到達(dá)90°時(shí)，方向性系數(shù)與天線增益略微有所增強(qiáng)，當(dāng)θ到達(dá)30°時(shí)，天線的方向性系數(shù)與天線增益均達(dá)到最低水平。

隨著頂角θ的變化，天線的遠(yuǎn)場增益與方向圖也發(fā)生變化，同樣地，天線頂角在180°與90°時(shí)，增益達(dá)到最高(見圖7)。

通過對比不同頂角θ時(shí)天線的3D遠(yuǎn)場輻射圖增益可以發(fā)現(xiàn)：不同頂角時(shí)，天線在其最大輻射方向上的增益有所不同，天線的方向性也會(huì)產(chǎn)生變化。仿真結(jié)果表明，錐面陣頂角在180°與90°時(shí)，天線的方向性較好，增益較強(qiáng)，帶寬較寬。實(shí)際監(jiān)測時(shí)，可將所設(shè)計(jì)的變頂角錐面陣調(diào)節(jié)成適宜的頂角狀態(tài)，以滿足不同的監(jiān)測需求。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的超寬帶生物雷達(dá)變頂角錐面陣，可利用變頂角調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的工作頻段與增益等特性的變化對監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行靈活式監(jiān)測，以利于獲取不同畜禽生命體參數(shù)信息。經(jīng)過仿真分析得出：

1)該錐面陣通過滑槽結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)改變天線的虛頂角，利用控制桿高低的調(diào)節(jié)組成不同直徑的立體陣，實(shí)現(xiàn)頂角從180°至30°連續(xù)可調(diào)。

2)超寬帶生物雷達(dá)錐面陣的變頂角調(diào)節(jié)可使得其工作頻段與增益等特性發(fā)生明顯的變化。最低頻率可至2.1GHz，最高頻率可達(dá)10.8GHz，最大帶寬為8.1GHz，最大增益為6.36dB。

圖7 不同θ時(shí)天線的3D遠(yuǎn)場增益圖

通過仿真充分驗(yàn)證了上述方法的有效性與可行性，但由于實(shí)際工程應(yīng)用需求的差異，需對所設(shè)計(jì)的變頂角錐面陣進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足實(shí)際需求。