一种用于呼吸监测的超宽带正弦天线设计

陈 勖，邓文琪，耿 煜

（深圳信息职业技术学院 软件学院，广东 深圳 518172）

引言

随着现代社会的高速发展，越来越多的中青年人群存在压力过大、生活不规律等亚健康症状，各种突发疾病的风险也越来越高。此外，中国逐渐步入老年化社会，据不完全统计，2013年底老年人数量已经达到2亿[1]。如何对这几类人群进行有效的健康监测以避免意外发生成为研究人员关注的重点。

呼吸是生命体征监测中的一项重要的参数，在睡眠疾病诊断、临床监护等领域都具有重要的研究意义。传统监测呼吸方法包括压力法和温感法。压力法因其灵敏度过高而易受到各种因素的干扰，而温感法利用放置在口腔或鼻腔处的温度传感器来获取呼吸信号，由于传感器要和人体皮肤接触往往会给个体带来不适[2]。

非接触式生命体征监测技术是在不接触生命体的情况下，对目标进行有效监测并获取生命体的呼吸等参数，是近些年来随着医学工程、社会发展、军事需要而发展的一项新技术。基于超宽带技术的脉冲雷达系统以其非接触式、辐射小、效率高、受环境影响小、使用方便等优势，正迅速成为健康监测的研究热点。

超宽带天线作为发射接收电磁波的部件，是整个超宽带脉冲雷达系统的难点，如图1所示。因为超宽带雷达系统要求天线结构相对简单，方便与其他组件集成，在工作带宽范围内电压驻波比小于2：1，同时还需要满足发射信号在足够大的频率范围内保持恒定的幅度谱和线性的相位谱，这样才能保证在极短时间内发射的脉冲信号不变形，不会影响回波信号的接收。

图1 超宽带雷达框图Fig.1 The block diagram of ultra-wideband radar

正弦天线能够获得很宽的频带，且在宽频带内具有良好的阻抗特性、方向特性及圆极化特性。相比较传统的等角螺旋天线而言，正弦天线同时具备平面、超宽带、单孔径、全极化四种特性，逐渐成为超宽带通信、雷达、射电天文学领域中的首选。

本文旨在设计一款工作于6GHz～ 9GHz频段的超宽带正弦天线，采用指数渐变微带巴伦的形式完成天线的阻抗匹配和平衡馈电，采用平底反射腔来实现天线的单向辐射。

1 天线设计

正弦天线属于频率无关天线系列，它的工作频段仅取决于天线辐射口径的物理尺寸。

1.1 正弦单元

正弦曲线是正弦天线的基本单元，如图2所示，只需要经过适当的旋转即可组成正弦天线。与其他的宽带对数周期结构天线一样，基本的正弦曲线仅仅与角度α和比例因子τ决定。其曲线由一系列的单元组线段构成，且相邻单元组间存在一定的比例关系。根据Duhamel对正弦天线的描述，正弦曲线由公式（1）决定[3-4]：

式中r和Ф为曲线的极坐标；p为相应的单元编号，从外往内依次递增。相邻两个单元半径之间的关系为

图2 基本正弦曲线Fig.2 Basic sinuous curve

公式（1）表明，将基本的正弦曲线围绕坐标原点顺时针和逆时针各旋转δ角度，可以得到两条曲线，而这两条曲线所围成的区域就是正弦天线的一个正弦臂，如图3所示。

图3 一个正弦臂Fig.3 One arm formed by sweeping the sinuous curve

参数αp和δ的选取和设计正弦天线的阻抗、方向图系数、方向图波瓣宽度有直接关系。本次设计采用自互补结构的对数周期双臂正弦天线，具体参数αp=45°，δ=22.5°，天线结构如图4所示。

图4 完整的正弦臂Fig.4 Completed two arm patterns

加工天线所选用的基板材料为Rogers 4350B，介电常数为3.66，厚度为0.254mm。

1.2 馈电设计

一般同轴线缆的输出阻抗为50Ω，而正弦天线的输入阻抗为200Ω左右，而且正弦天线相对双臂要求平衡馈电，因此需要一个巴伦来完成平衡-不平衡变换和阻抗匹配。

本文采用渐变微带线到双线的巴伦结构，如图5所示。当微带线的接地面指数渐变到与上侧微带线同样宽度时，就成为平衡的平行双线结构，实现从平面正弦天线到同轴线缆之间的平衡馈电和阻抗变换。介质基板的顶部金属为信号线，底部为地平面，它们的指数曲线方程均可以用下面的公式（3）表示。

式中，参数a和b由微带巴伦的几何尺寸所决定，如式（4）和（5）所示[5]。

图5 微带线巴伦的几何结构Fig.5 Geometrical structure of micro-strip balun

上述微带巴伦的结构尺寸参数w、w1和w2最终通过优化设计，确定为：w=0.5mm，w1=1.3mm，w2=6.5mm。对设计的巴伦进行电磁仿真，其回波损耗曲线如图6所示。

图6 巴伦的回波损耗Fig.6 Return loss of micro-strip balun

1.3 背腔设计

在对生命体进行呼吸监测等应用场合，只需要用到正弦天线的单向辐射，而为了获得单向辐射，通常的做法是在天线的一侧安装一个反射腔来去掉不需要的辐射。反射腔一般采用平底腔。腔体深度约为λ/4（λ为天线中心频率波长），腔体直径与天线外径大体相同[6-7]。

这里对加背腔和未加背腔的正弦天线进行电磁仿真，如图7所示。

图7 方向图（加背腔 vs 未加背腔）Fig.7 Directivity radiation patterns

2 结果分析

根据前述的设计结果，本文对该天线及微带巴伦进行了实际加工制作。天线实物图如图8所示。

图8 正弦天线实物图Fig.8 The photo of sinuous antenna

使用AgilentN5230A矢量网络分析仪对天线馈电端口的回波损耗进行了测试，如图9所示，在6～9GHz的设计频段上，S11基本保持在-10dB以下，匹配性能良好。

图9 天线回波损耗Fig.9 Measured return loss of the whole antenna

在微波暗室中对天线的辐射方向图和增益进行了测试，这里给出8GHz测试频点的实验结果，如图10所示，测试和仿真结果基本一致。另外添加了平底型背腔后，在一定程度上较好地实现了天线的单向辐射性能。

图10 天线方向图（a）E面（b）H面Fig.10 Directivity radiation patterns of the sinuous antenna

3 结论

根据非接触式生命体征监测系统的需求，本文设计了一款小型化超宽带双臂正弦天线。测量结果表明在6GHz～9GHz的工作频带内，天线的回波损耗均小于-10dB，与仿真结果较为吻合。测试得到的E面和H面归一化方向图在工作频带内与仿真结果较好吻合。该天线工作频带宽、增益适中，能满足近距离生命体呼吸监测雷达的天线要求。