一种用于生命探测雷达的超宽带天线

邵金进 纪奕才 方广有 阴和俊

①(中国科学院电子学研究所电磁辐射与探测技术重点实验室 北京 100190)

②(中国科学院大学 北京 100049)

③(中国科学院 北京 100864)

1 引言

近年来，伴随着城市化进程的加快，城市的高大建筑日趋增多，钢筋混凝土结构占主导地位，各种管道、线路交错纵横的密度加大以及城市人口密集等问题使自然或人为灾害等各类突发事件的潜在危险与日俱增。因此，为确保在紧急救援中用最短的时间找到被困人员，开展先进的生命救助探测与定位方法研究具有十分重要的意义[1]。由于超宽带雷达技术具有穿透性好、分辨率高、抗干扰能力强以及系统复杂度低等优越特性被广泛应用与研究[2]。天线作为辐射和接收电磁波的部件，是生命探测雷达系统中必不可少的关键部分，它直接影响着整个系统性能的好坏。通常超宽带型雷达系统中常用的天线类型有：电阻加载的蝶形天线及其变形[3-8]，TEM喇叭天线[9,10]以及小型TSA天线[11-13]等等。在介质穿透型雷达中，为了良好地与介质耦合，尤以平面天线[14-16]为主。对于超宽带天线而言，在低频端天线往往具有电尺寸小的特点，天线臂上行波特征不明显，同时由天线臂的截断效应引入的反射也会恶化天线的时域特性。文献[3,7]提到通过电阻或介质加载的方法来吸收天线末端不连续部分引起的反射电流，能够起到抑制辐射脉冲拖尾，展宽天线工作带宽的作用，但也会消耗掉一部分的能量。因此往往需要在时域特性与辐射效率间进行折中选择。

传统的半波对称振子天线是谐振式结构，频带宽度比较窄。为了展宽频带，通常的做法是使振子具有较大的截面积，从而使振子沿线各点的特性阻抗处处不变，减少因特性阻抗不连续而引起的反射，这也是蝶形天线形成的过程。另一种常用的做法是在天线末端接匹配电阻，以吸收可能由于天线末端以及自由空间阻抗失配引起的反射波能量。本文采用椭圆形结构[14-16]取代了传统蝶形结构[3,4]，提出了一种槽缝调谐的半椭圆形偶极子天线。通过选择合适轴比的半椭圆组成天线臂，使导体沿着振子向末端方向具有连续的渐变阻抗，同时引入电阻加载技术有效地减小了天线臂上不连续点引起的反射电流，改善了天线的输入阻抗特性，拓宽了天线带宽。相比蝶形天线[7]，采用半椭圆形[14]的天线具有更低的阻抗特性和更好的带宽特性。

2 天线的结构

按照蝶形天线的阻抗计算公式[4]，天线臂张角越大，天线对应着一个变化越小的特性阻抗曲线，带宽也越大，这非常有利于天线端口的匹配。但是一个大的张角必然会引出一个更大的尺寸要求，这是不利于雷达系统集成设计的。为此在尽量不增加尺寸的条件下本文采用了椭圆形结构的天线臂，通过将直边圆弧化达到类似增大天线臂张角的效果。为了更好地反映出椭圆结构的特点，本文在相同尺寸和条件下对蝶形结构和椭圆形结构的天线进行了建模仿真，图 1给出了仿真的阻抗特性曲线。如图1所示，在保证尺寸不变的条件下，可以看到相对于蝶形结构，椭圆形由于近似具有更大的张角，能够获得更加平稳的阻抗和更大的带宽特性。因此椭圆形结构[15]是一种较好的选择。

图1 特性阻抗的比较

图2给出了天线的结构示意图。天线由两个半椭圆形天线臂构成，天线臂末端引入一对半圆槽缝。通过优化确定椭圆的长半轴为a= 1 89 mm，短半轴为b= 9 0 mm ，馈电中心间距d= 2 mm,r=85 mm。整副天线印制在 400 mm 200 mmL×W= ×的FR-4介质板上，其介电常数为4.4，厚度为1 mm。为了达到屏蔽后向辐射与减小外界干扰的目的，设计采用了一个5面金属的矩形反射腔[7,15]，天线位于腔的开口面上，腔体高度为H= 5 1 mm 。同时使用紧凑的 1:2不平衡到平衡传输线变换器实现馈电，以减小了天线整体的尺寸，便于系统集成。

3 仿真测试结果及分析

借助3维电磁仿真软件HFSS10对天线进行了建模和仿真优化，以确定天线及槽缝尺寸和加载值的最优参数。最后按照设计结果进行了实际制作和测试。对比仿真和测量结果，对天线的驻波特性、输入阻抗和辐射特性进行了分析和研究。

3.1 传输线馈电巴伦的特性及分析

图2 天线结构图

阻抗匹配问题是超宽带技术中比较重要的一部分。对于微波频段及以上的宽带匹配往往采用微带渐变线、共面波导或者电磁耦合的馈电方式。但对于低频段的宽带匹配设计，由于受限于1/4波长电尺寸的限制，微带渐变线尺寸较大。合理的做法是通过适当设计使天线阻抗特性降低到期望的阻抗范围以便于直接匹配[6]，或者采用传输线变压器的方式完成阻抗匹配设计。从图1中可以看出，设计的半椭圆形天线在整个频带范围内的输入阻抗围绕 100 Ω左右变化，输入电抗部分很小，所以天线采用特性阻抗为 100 Ω的馈线进行平衡馈电是比较合适的。本文采用了一个商用的 1:2不平衡到平衡传输线变压器来完成阻抗匹配，它由一块小巧低成本的FR4介质板搭载置于天线馈电位置。馈电板的具体结构图如图3(a)所示，其尺寸为 1 6× 1 8× 1 .6mm3，按照双面印刷电路板的设计方法制作而成，黑色部分为顶面布局，灰色部分为底面结构。按照微带线与平行双线的阻抗计算式，设计采用 50 Ω微带输入，100 Ω平衡双线输出。为了验证设计效果，对其进行了实验测量，并将其结果与评估板给定参考值进行了比较，如图3所示。可以看到在30~1400 MHz频带范围内，此馈电结构具有驻波小于2，插入损耗小于1.5 dB的良好特性。由于设计偏差以及选用的搭载传输线变压器介质板与评估板的不同，其测量值与评估板的参考值存在一定差异，但其特性也已经能够满足本文天线阻抗匹配的要求。

3.2 天线的特性分析

为了更好地削弱由于天线末端与自由空间失配引起的反射波能量，从而避免脉冲信号的拖尾振荡，在天线末端引入半椭圆形槽缝调谐和电阻加载技术。为了研究半圆槽对天线臂上分布电流的影响，图4对比给出了在频率400 MHz时天线臂上有无半圆槽的表面电流分布情况。从图 4(a)可以看到，在天线末端的截断边界上存在着一定的电流分布，仅仅依靠天线臂末端的加载电阻并不能有效地将其吸收。考虑到电荷具有尖端放电现象，为此采用一个半圆槽对天线末端进行锐化，以增强天线臂上残余电流的集中，便于电阻更充分地吸收。从图4(b)可以看到，半圆槽的引入很好地起到了引导天线末端的残余电流向加载电阻收拢的作用，能够削弱由于终端截断失配引起的反射。

由于雷达是以检测微弱的偏移扰动来判别人体目标是否存在，所以抑制后向辐射，屏蔽来自地面的干扰信号能用有效地减少不必要的误判，因此合理设计一个背腔是十分必要的。为了便于雷达系统工程化要求，设计中引入了一个矩形屏蔽腔。由于一个固定尺寸的天线背腔可以看作一个窄带系统，同时腔体表面的感应电流与天线的互耦作用一定程度上也会影响天线的驻波特性以及接收信号波形，所以对背腔高度的设计比较关键[4]。通常设计是按照最强频点的1/4波长来确定，但这将产生一个很大的腔体结构，不利于后期的系统集成。而且很多设计中[3,4]，1/4波长尺寸也并不是最优的，很多时候不能达到期望的结果，因此需要对其做出一个合理的选择。本文优化选择了一个合理的腔体高度，并结合恰当的加载电阻使天线、腔体在低频段构成一个良好的电流回路，削弱背腔对端口特性以及接收波形带来的不利影响，达到折中的效果。

图5给出了不同高度的腔体对天线端口特性的仿真结果。可以看到，当腔体高度为51 mm以上时驻波系数具有比较一致的结果，随着腔体高度增加，天线的驻波曲线也在逐渐抬高。相比较而言，当腔体高度为31 mm时天线在低频段具有相对大的驻波系数，而在高频部分则比较低，总体特性要差于51 mm 的设计。同时由于背腔的镜面效应，一个过低的背腔会很大程度上削弱前向辐射的信号，因此选择腔体高度H为51 mm是比较合适的，天线在整个带宽内都具有较好的阻抗匹配特性。按照优化选定的尺寸加工天线，并进行了测试。由于生命探测雷达一般工作于类似混凝土墙体或废墟等介质条件下，因此为了更好地验证天线的实际性能，在仿真模型中引入一层 50 cm 厚的墙体介质(εγ=6.4,σ= 0 .002 s/m)，图 6给出了天线在通频带内仿真和测试的端口驻波。在低频段仿真与测试结果具有较好的一致性，在高频段则存在一定差异，这主要是由于仿真中无法建立传输线变压器的模型而引起的。尽管如此，天线在通频带内都具有较好的驻波特性和匹配特性，能够适应工作环境的需要。

图3 馈电结构及其特性

图4 频率400MHz时不同天线臂上的表面电流分布

对于脉冲雷达而言，要求天线对信号具有良好的波形保真性，能够维持较低的振荡水平以利于微弱信号的提取。因此为了更好地反映出天线的时域特性，这里借用了矢量网络分析仪的时频转换模块对天线进行测试。图7给出了人体目标位于天线前方3.2 m时的回波信号，从波形上能清楚地看到人体的回波信号，并且主辐射波后面的振荡还是较小，维持在10%以下。图8给出了双天线系统轴线方向上1.5 m位置接收到的前后回波信号，从波形幅度的比较可以看到，天线的前后比达到12 dB左右，说明屏蔽腔的引入能够有效地增强天线的定向性，使天线具有避免引入外界微弱信号对雷达系统干扰的作用。

为了进一步验证设计的有效性，将天线应用于一套工作在中心频率400 MHz的脉冲生命探测雷达中。图 9(a)为实验场景，在实验中雷达紧贴放置于厚度为24 cm的混凝土墙面，被测人员坐于墙后约3.3 m的位置正常呼吸。图 9(b)为雷达的实验结果图。从实验结果中看到，在3.8 m位置存在一个微小波动，其距离即为人体所在位置，叠加的波动即为人体呼吸运动引起的。

图5 不同高度的腔体对天线端口特性的影响

图6 天线驻波

图7 测量的时域回波信号图

图8 测量的前后向辐射信号

图9 生命探测雷达实验测试

4 结论

本文介绍了一种用于生命探测雷达的超宽带低背腔平面天线。它采用椭圆形结构以及紧凑的 1:2不平衡到平衡传输线变压器馈电。为了屏蔽后向辐射与外界干扰，设计中引入了一个矩形反射腔。同时为了消除天线臂截断效应引起的反射电流，采用电阻加载和半圆槽达到收拢并有效吸收天线臂上残余电流的目的，改善了天线的输入阻抗和带宽特性。计算结果和实验测量结果表明，所设计的天线尺寸紧凑，具有良好的时域特性，能够满足生命探测雷达系统应用的工作要求。

[1] Hu Ye. Life detection technique in earthquake search and rescue[C]. Second International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC), Harbin, 2012: 664-666.

[2] 李长勇, 杨士中, 张承畅. 超宽带脉冲天线研究综述[J]. 电波科学学报, 2008, 23(5): 1003-1008.Li Chang-yong, Yang Shi-zhong, and Zhang Cheng-chang.Review of ultra-wide band pulse antenna[J].Chinese Journal of Radio Science,2008, 23(5): 1003-1008.

[3] 周蔚红, 刘培国, 刘克成, 等. 探地雷达中蝶形振子天线的改进[J]. 电子与信息学报, 2005, 27(7): 1171-1173.Zhou Wei-hong, Liu Pei-guo, Liu Ke-cheng,et al..Improvement on bow-tie antenna of ground-penetrating radar[J].Journal of Electronics&Information Technology,2005, 27(7): 1171-1173.

[4] 郭晨, 刘策, 张安学. 探地雷达超宽带背腔蝶形天线设计与实现[J]. 电波科学学报, 2010, 25(2): 221-226.Guo Chen, Liu Richard C, and Zhang An-xue. Design and implement of an UWB bow-tie antenna with back cavity for ground penetrating radar[J].Chinese Journal of Radio Science,2010, 25(2): 221-226.

[5] Wang Jian, Su Yi, Huang Chun-lin,et al.. Design of bow-tie antenna with high radiating efficiency for impulse GPR[C].IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Munich, 2012: 594-597.

[6] Lin Chun-cheng. Compact bow-tie quasi-self-complementary antenna for UWB applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012, 11: 987-989.

[7] Zhang Kang, Xu Xiao-wen, and He Mang. A joint method of moments and network analysis approach for cavity-backed resistor-loaded bow-tie antenna[C]. International Conference on Information Science and Technology (ICIST), Nanjing,2011: 528-531.

[8] Wang Shi-ran, Wu Qi, and Su Dong-lin. A novel reversed T-match antenna with compact size and low profile for ultrawideband applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012, 60(10): 4933-4937.

[9] Turk A S and Keskin A K. Ultra wide band TEM horn antenna designs for ground penetrating impulse radar[C].IEEE International Conference on Ultra-Wideband(ICUWB), Syracuse, NY, 2012: 87-91.

[10] Butrym A Y, Legenkiy M N, and Hao Xiang-yu. Effects of tem-horn antenna tapering[C]. 6th International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals(UWBUSIS), Sevastopol, 2012: 215-217.

[11] 张锋, 刘小军, 纪奕才, 等. 一种用于浅层探冰雷达的改进型宽带小型化 TSA天线[J]. 电子与信息学报, 2011, 33(6):1471-1474.Zhang Feng, Liu Xiao-jun, Ji Yi-cai,et al.. A novel wideband compact tapered slot antenna for shallow icecap detection radar applications[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2011, 33(6): 1471-1474.

[12] Ebnabbasi K, Busuioc D, Birken R,et al.. Taper design of vivaldi and co-planar tapered slot antenna (TSA) by chebyshev transformer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, 60(5): 2252-2259.

[13] Wu J, Zhao Z, Liu J,et al.. A compact linear tapered slot antenna with integrated balun for UWB applications[J].Progress in Electromagnetics Research C, 2012: 163-176.

[14] 吴秉横, 纪奕才, 方广有. 一种新型探地雷达天线的设计分析[J]. 电子与信息学报, 2009, 31(6): 1487-1489.Wu Bing-heng, Ji Yi-cai, and Fang Guang-you. Design and analysis of a novel GPR antenna[J].Journal of Electronics&Information Technology,2009, 31(6): 1487-1489.

[15] Wu Bing-heng, Ji Yi-cai, and Fang Guang-you. Analysis of GPR UWB half-ellipse antennas with different heights of backed cavity above ground[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010, 9: 130-133.

[16] Chan Hwang-See, Abd-Alhameed R A, Chung S W J,et al..The design of a resistively loaded bowtie antenna for applications in breast cancer detection systems[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, 60(5):2526-2530.