一种生命探测装备的超宽带天线设计

杨传法, 刘晴晴, 张献生, 刘陵玉, 孙中琳, 常天英

(山东省科学院自动化研究所，山东 济南 250014)



一种生命探测装备的超宽带天线设计

杨传法, 刘晴晴, 张献生, 刘陵玉, 孙中琳, 常天英

(山东省科学院自动化研究所，山东 济南 250014)

通过Ansoft HFSS电磁软件对天线模型参数进行仿真和优化，设计了一款新型电磁偶极子宽带天线。该天线阻抗带宽2～4GHz、前后比达10 dB，体积小。测试结果表明其性能指标满足设计需求，并已应用到生命探测装备中。

超宽带；探测定位；电磁偶极子

近年来，地质灾害和人为灾难频繁发生，造成大量人员被困。在救援过程中，如果能对被掩埋或其他物理隔离的幸存者进行快速准确的探测与定位，就能缩短发现幸存人员的时间，提高幸存人员获救的概率。因此，开展先进的生命救助探测与定位技术及装备研究，具有十分重要的意义。

生命探测技术是对生命信号进行特征处理和检测的方法。该技术是采用各种方法和手段来获取这些信号进行分析，从而判定生命体的存在与否。超宽带生命探测技术优势在于强大的屏蔽物穿透能力、非接触生命探测和高精度生命体探测定位性能，因而这种探测技术被广泛研究和应用[1-2]。超宽带天线作为生命探测装备的重要组成部分，其主要功能是将超宽带电磁波信号发射至空气中并从空气中接收，即为收发链路与空气的信号耦合器，其性能的好坏直接影响着整个系统的性能，因此新型超宽带天线研究具有重要意义[3]。

超宽带天线研究初期，其结构比较规则，天线尺寸较大[4]。对于高精度搜救雷达系统，天线要在满足高增益、大带宽的同时，天线方向角足够大。通常超宽带型雷达系统中常用的天线类型有蝶形缝隙天线、Vivaldi天线、TEM喇叭天线等。其中，蝶形缝隙天线尺寸在80 mm×150 mm左右，不利于雷达系统的小型化，并且蝶形缝隙天线两维波束宽度相差较大，不能实现两维宽波束的辐射方向图；Vivaldi天线尺寸更大，在150 mm×200 mm左右，而且该天线波束宽度略窄，两维都在60°左右；TEM喇叭天线是窄波束天线，波束宽度仅在10°左右，不适合用在大范围探测中。电磁偶极子天线具有超宽带、宽波束、尺寸小、安装简单并且抗干扰性好的特点，被广泛地研究和使用[5]。本文基于矩形电磁偶极子天线原理，利用电磁软件Ansoft HFSS仿真设计，一款新型超宽带天线。

2 电磁偶极子天线理论及仿真设计

2.1 电磁偶极子天线原理

以Luk等学者提出的典型矩形宽带电磁偶极子天线为例(天线模型见图1)，将平面形式的电偶极子天线和短路贴片形式的磁偶极子天线结合在一起，电偶极子的辐射方向图在E面呈“8”字型，H面呈字母O型，磁偶极子正好相反，方向图在E面和H面相互补偿，实现了E面和H面的方向图相似，同时添加了大地板，抑制了背面方向的辐射[6-7]。

图1 典型模型Fig.1 Antenna model

电磁偶极子天线一般采用Γ状探针激励，馈线的第一部分和短路贴片以及空气构成了50 Ω的微带传输线，把信号从同轴传输到馈线的第二部分。第二部分是水平馈线部分，这部分把信号耦合到电偶极子和磁偶极子上，这部分主要决定了电磁偶极子天线的输入阻抗，水平馈线部分呈电感特性。第三部分是垂直开路部分，呈容性，通过调节长度来抵消第二部分的感性[8]。

从图2中天线输入驻波特性可知，典型的电磁偶极子绝对带宽在1.2 GHz左右，相对带宽仅有40%。需要重新进行参数、结构设计，以满足生命探测雷达天线的需要[9]。

图2 典型驻波特性Fig.2 Antenna input VSWR

2.2 主要工作参数确定

2.2.1 工作频率

由于生命信号的频率很低，如果要分辨出生命信号，需采用高频率电磁波。考虑到电磁波穿透性与波长成正比，所以要在穿透能力和生命信号分辨能力上进行综合考虑。权威数据表明，最佳生命信号探测频率为S波段：

(1)

上式中，ΔR为待测生命体距离生命探测装备的距离，Δτ为雷达信号从生命探测装备发射传输至生命体再反射回生命探测装备接收的所用时间，c为电磁波真空传播速度，即3×108m/s；B为雷达信号带宽。由式(1)可知，信号的带宽B决定了雷达的距离分辨率[10]，即生命体定位精度。对于人体来讲，定位精度需要10 cm左右，探测信号选择工作频率为2 ～ 4 GHz。因此天线工作频率2 ～ 4 GHz[11]。

2.2.2 方向性确定

天线辐射角度决定了生命探测装备的探测范围，大范围探测能力要求天线具有较大辐射角度。另一方面，生命探测装备附近的操作人员，其生命特征信号亦有可能被生命探测装备探测到，并且该信号相比障碍物后的生命特征信号能量更强。为降低操作人员的生命特征信号对系统性能的影响，天线需要具有较高的前后比。

本文天线设计指标为回波损耗S11小于-10 dB(VSWR小于2.0)；E面不小于70°，H面不小于100°，且方向图随频率变化稳定；通带内增益不小于5 dBi；前后比大于10 dB。

2.3 天线建模仿真及测试分析

天线采用了新型馈电的电磁偶极子形式，同时使用U型地板，保证天线定向辐射并尽可能增大前后比。而E面和H面本身相互垂直，相当于实现一个垂直极化的天线[12]。天线的结构设计见图3。

图3 天线结构设计图Fig.3 Design of antenna structure

基于矩形电磁偶极子天线原理，利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对天线尺寸进行了优化分析，并对其结构进行了创新设计。结构创新设计主要体现在4个方面：(1)反射底板增加了两个边围侧壁，提高了方向性和增益；(2)偶极子平面进行开槽，提高了辐射性能；(3)探针末端改成水平条状，更好地实现了阻抗匹配；(4)将水平电偶极子倾斜一定角度，展宽了天线的波束宽度。经过多次参数调整，最终确定各组成单元尺寸参数，见表1。

表1 天线各组成单元尺寸参数

表1中L、L2尺寸参数为实际尺寸，水平电偶极子倾斜角度为15°。天线板材选用重量轻、导电性能好的铝板。天线实物图见图4。

图4 天线实物图Fig.4 Figure of real antenna

天线经加工后，利用天线测试系统对天线进行了测试和性能分析。天线测试系统由测试转台、发射极化转台、转台控制驱动器、标准增益喇叭天线、矢量网络分析仪、ZVL-6、暗室、计算机以及天线自动测量软件多个软硬件部分组成。其中测试转台方位精度0.1°，移动精度1 mm，接收极化精度0.2°。天线测试系统中，标准增益喇叭天线选用西安恒达公司生产AVTADR20180，其工作带宽为2～18 GHz。

经测试，天线各项参数均与仿真结果相吻合，符合天线设计指标需求。仿真测试对比分析见图5～7。其中图5和图6为天线回波损耗和通带内天线增益性能，图7为各通带内不同频率点E面、H面方向图性能。从仿真结果可以看出，通过将探针末端改成水平条状，天线带宽可以覆盖2 ～ 4 GH2，相对带宽从40%提高到66.7%；通过采用U型地板，在减小地板的尺寸的基础上保证了前后比和增益不变；通过将水平电偶极子倾斜，将H面波束宽度从80°扩展到100°。

图5 天线回波损耗Fig.5 Antenna return loss

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

图7 不同频率点E面、H面方向图仿真、测试对比Fig.7 Simulation and test comparison of E and H surface pattern at different frequency

3 结论

本文设计了一种新型的超宽带天线，通过数值仿真和实际测试研究了该天线的特性，测试结果与仿真结果能够较好地吻合。测试结果表明，该天线具有宽频带、高前后比、结构尺寸小的特点，非常适合应用于超宽带生命探测装备中。

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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

山东省自然科学基金(ZR2014FP006)；山东省科学院院基础基金(科基合字(2015)第52号)；山东省自主创新及成果转化专项(2014CGZH1104)

杨传法(1983—)，男，助理研究员，研究方向为微波、毫米波、太赫兹探测成像。E-mail:wb_ycf@163.com

TN012

A

1002-4026(2017)03-0098-05