超宽带生物雷达变顶角锥面阵的设计与仿真

梅佳磊，周培聪，刘仁鑫，熊新农*

(1. 江西农业大学生物科学与工程学院，江西 南昌 330045；2. 江西省畜牧设施技术开发工程研究中心，江西 南昌 330045；3. 江西农业大学工学院，江西 南昌 330045)

1 引言

近年来猪瘟、禽流感等传染病疫情多有发生，对疫病畜禽类生命信息的近距离接触式的监测检测会影响到人们的健康甚至生命安全，因此需要一种非接触式远距离监测检测的技术方法。生物雷达能间隔一定距离、穿透一定厚度的电介质非接触地探测监测呼吸、心跳等生命体参数信息，是红外、光学及超声等技术无法比拟的，对疫病畜禽类生命信息的监测具有独特优势和重大意义。由于超宽带雷达具有穿透能力强、分辨能力高、测距精度高、功耗及系统复杂度较低等优点，而为促进生物雷达技术在现代农业畜牧业中的推广应用，适应不同种类不同尺寸畜禽个体的监测需要，雷达要有足够的带宽，因此畜禽类生命体征信息监测采用超宽带雷达更具优势空间。

天线作为雷达系统的重要组成部分，国内外已开展了许多的超宽带生物雷达天线研究，主要包括双锥天线、TEM 喇叭天线、Vivaldi 天线、蝶形天线、螺旋天线等[1]，但是现有的超宽带生物雷达天线都没有涉及在固定基座上进行变距变焦式监测的问题，不利于多重多维地获取疫病畜禽生命体参数信息，难以适应畜禽疫病生命体的监测诊断需要。对数周期天线作为一种频率无关的天线，具有很好的超宽带特性，采用对数周期天线阵列有利于获取目标的速度和方位信息，但当前超宽带生物雷达天线研究中，基于对数周期天线的研究相对较少。四川大学的程阳等设计了仰角可调的缩比变形对数周期天线，可实现对数周期天线变形，使其最大辐射方向在一定范围内连续可调[5]。虽然其有利于引入极化信息参数，但仅为单根对数周期天线的变形，不利于目标方位信息的获取，对于疫病畜禽生命体参数信息的获取仍有很大的局限性，而对于不同种类不同尺寸畜禽多目标的监测，更是难以实现。因此针对当前畜禽类超宽带生物雷达的现实问题，需要开展可改变顶角和孔径的对数周期天线阵研究。

2 锥面阵的理论分析与设计

2.1 对数周期天线

对数周期天线(LPDA)由若干个不同长度的对称振子排列而成，这些振子在顶点的馈电点向外的长度连续增加，各阵元的虚顶点位于坐标原点，最长振子和最短振子的长度由工作频带的上、下限决定，即

(1)

(2)

式(1)(2)中的λL和λU分别为对应下限和上限频率的波长。

其示意图如图1所示。

图1 对数周期天线的结构示意图

对数周期天线由n个振子按比例因子τ排列结构的，关系式为：

(3)

(4)

式(3)(4)中：dn为两相邻振子间的距离，ln为第n根振子的长度，Rn为第n根振子到天线虚顶点的距离，对数周期天线结构由比例因子τ和振子端点与中心线之间的夹角α决定。

2.2 对数周期天线环形阵列设计

根据天线设计理论，对数周期天线由对称振子按比例排列而成，超宽带生物雷达变顶角锥面阵的接收天线采用各阵元天线虚顶点共圆的空心环设计的对数周期天线环形阵，g套对数周期天线水平放置。图2中，以原点处的阵元为参考点，阵元的位置为(Rn，θg)，θg表示第g套对数周期天线轴线与x轴的夹角，其中n=1，2，…，N；g=1，2，…，G。

图2 对数周期环形阵坐标图

这个阵列可以视为一个多端口网络，所有阵列单元的电压和电流的关系均可以由输入阻抗表示

(5)

式(5)中，每一列对应一个阵列单元，其中Zij(i=j)表示自阻抗；Zij(i≠j)表示第j个阵列单元对第i个阵列单元的互耦影响。

文献[6]为满足多种不同体型大小的低空飞行昆虫监测需要，设计了采用各阵元天线虚顶点共圆空心环式的对数周期偶极子天线环形阵，对各阵元振子加权，根据现实需要“屏蔽”相应的传输区和不激励区振子，在信噪比较高的情况下适当调整阵列的物理孔径获得了较高的阵列角度分辨力。为了更好地监测不同体型、不同群体的畜禽，需要设计带宽较宽，方向性不同的新型超宽带生物雷达。

2.3 变顶角锥面阵的结构设计

设计的锥面阵列结构如图3所示，锥面阵列在支撑管上设有呈对数周期排列的振子，振子对称排列设置在支撑杆顶部，支撑杆底部与底座连接，并通过底座上的滑槽转动调节伞形阵方向[7]。支撑杆插槽内设置有锯齿状的调节条，支撑杆通过调节条的位置从而改变伞形阵的开合角度，从而实现变距变焦进行更多维监测目标。

图3 锥面阵列的结构示意图

3 基于HFSS的锥面阵仿真

3.1 变顶角锥面阵模型构建

所设计的天线采用HFSS15.0软件进行建模仿真。单位阵元为不同长度的半波振子天线组成的对数周期天线，锥面阵模型由六根相同的对数周期天线呈环形分布构成，支撑杆与底座采用pec材料，通过改变锥面结构的顶角θ，使天线阵子的极化方向发生变化，通过计算机仿真建模以分析不同θ时天线的性能情况。建模步骤可总结如下：

1) 确定天线各结构参数，并在软件中设置；

2) 使用pec材料建立天线各结构模型；

3) 添加合适大小的空气腔并设置辐射边界；

4) 添加端口并设置为集总端口激励；

5)添加扫频设置，并进行仿真计算。

表1为天线的主要参数。

表1 天线的主要参数

3.2 不同顶角下天线性能分析

通过旋转各对数周期天线，从而形成不同顶角的锥面阵，同时各振子的俯仰角均发生改变，所设计的天线收缩顶角的过程中，天线振子之间的耦合也会发生变化，因此以30°为单位步长，对不同顶角时的锥面阵天线分别进行仿真，并对仿真结果进行分析。为防止天线顶角过小导致振子产生耦合严重与碰撞[8]，因此所设计的天线为180°至30°连续可调。

1)天线顶角θ=180°时电磁仿真软件HFSS中建立的仿真模型，如图4所示。

图4 仿真模型θ=180°

根据仿真结果分析天线的中心频率与有效带宽，天线设计理论中认为电压驻波比(VSWR)<2的部分为天线的工作频段[9]，天线顶角θ=180°时电压驻波比随频率变化关系如图5所示。

图5 θ=180°时VSWR

当天线顶角θ=180°时，天线有效工作频段为2.8-10GHz，中心频率为6.4 GHz，满足超宽带天线设计要求。

2)天线顶角θ=90°时电磁仿真软件HFSS中建立的仿真模型，如图6所示。

图6 θ=90°

天线顶角θ=90°时的电压驻波比随频率变化关系如图7所示。

图7 θ=90°时VSWR

当天线顶角θ=90°时，天线有效工作频段为2.1-10.2GHz，中心频率为6.5 GHz，带宽变宽，中心频率略微有所偏移，满足超宽带天线设计要求。

3)以30°为步长，将180°至30°所有不同顶角的锥面阵天线仿真结果进行整合，如表2所示。仿真数据分析表明，随着顶角的变化，天线的中心频率会略微产生偏移，工作频率会发生明显的变化：当θ=90°时，天线最低频率达到2.1GHz，当θ=60°与30°时，最高频率达到10.8GHz；而当θ=90°时，天线的带宽达到最宽的8.1GHz水平，当θ=30°时，天线带宽达到最窄的5.7GHz水平。仿真结果表面，通过对天线顶角的调节可以明显改变天线的有效工作频段，但天线的中心频率并不会发生明显变化。

表2 不同θ对天线带宽的影响

天线方向图与增益是表征天线性能的主要参数。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，而天线的方向性是指天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力。超宽带生物雷达的变顶角锥面阵通过顶角调节，在不同的顶角θ对天线主要性能的影响情况，见表3。

表3 不同θ对天线性能的影响

仿真结果表明，所设计的天线在将顶角θ从180°调节至30°的过程中，天线的方向性与增益均发生变化：天线顶角在180°时方向性系数与最大增益均为最高，随着顶角的减小，天线的方向性系数与天线增益逐渐减弱，而当θ到达90°时，方向性系数与天线增益略微有所增强，当θ到达30°时，天线的方向性系数与天线增益均达到最低水平。

随着顶角θ的变化，天线的远场增益与方向图也发生变化，同样地，天线顶角在180°与90°时，增益达到最高(见图7)。

通过对比不同顶角θ时天线的3D远场辐射图增益可以发现：不同顶角时，天线在其最大辐射方向上的增益有所不同，天线的方向性也会产生变化。仿真结果表明，锥面阵顶角在180°与90°时，天线的方向性较好，增益较强，带宽较宽。实际监测时，可将所设计的变顶角锥面阵调节成适宜的顶角状态，以满足不同的监测需求。

4 结论

设计的超宽带生物雷达变顶角锥面阵，可利用变顶角调节所产生的工作频段与增益等特性的变化对监测目标进行灵活式监测，以利于获取不同畜禽生命体参数信息。经过仿真分析得出：

1)该锥面阵通过滑槽结构可实现改变天线的虚顶角，利用控制杆高低的调节组成不同直径的立体阵，实现顶角从180°至30°连续可调。

2)超宽带生物雷达锥面阵的变顶角调节可使得其工作频段与增益等特性发生明显的变化。最低频率可至2.1GHz，最高频率可达10.8GHz，最大带宽为8.1GHz，最大增益为6.36dB。

图7 不同θ时天线的3D远场增益图

通过仿真充分验证了上述方法的有效性与可行性，但由于实际工程应用需求的差异，需对所设计的变顶角锥面阵进行进一步优化，以满足实际需求。