末端開槽超寬帶天線的研究

王友成 邵金進 紀奕才 方廣有 張曉娟

（1.中國科學院大學，北京100190；2.中國科學院電子學研究所 電磁輻射與探測技術重點實驗室，北京100190）

引 言

近幾十年，基于超寬帶探測技術的穿墻成像雷達在軍事反恐、生命探測等領域具有較大應用價值而迅速發(fā)展.天線作為雷達系統(tǒng)的一個關鍵部件，扮演著有效輻射和接收電磁波、完成能量轉換的角色，其性能直接影響雷達系統(tǒng)的分辨率和探測距離.目前在脈沖體制穿墻成像雷達中應用較多的天線有阻抗加載蝶形天線、TEM喇叭天線和Vivaldi天線［1-7］.TEM喇叭天線和Vivaldi天線增益高、方向性好，但存在與墻面耦合不好的問題，并且體積較大，不利于系統(tǒng)的便攜式設計.平面蝶形天線［8-10］由于具有較好的時域寬帶特性、簡單的加工方式以及易于集成等優(yōu)點，受到眾多研究者青睞.傳統(tǒng)平面蝶形天線具有類似偶極子的全向輻射特性，通常需要引入金屬背腔以增強方向性和抑制外界電磁干擾.為了減小金屬背腔對天線端口特性和時域輻射波形的影響，一般需要在腔中填充吸波材料［11-12］或在天線末端加載電阻［13-14］，具體方式則需要比較成本與制作方式進行折中考慮.

針對穿墻成像雷達的需要，基于末端電阻加載的半橢圓偶極天線［15］，通過優(yōu)化天線尺寸，分析天線末端開槽形式、開槽數目以及背腔形式對天線性能的影響，設計了一款時域特性和端口特性良好的超寬帶天線樣機.

1 天線結構及仿真實驗

1.1 天線末端四種開槽形式仿真

天線由一對平面半橢圓臂構成，末端開槽采用如圖1（a）、（b）、（c）、（d）所示的四種結構.天線中心饋電間隔Fd＝2mm，整個天線臂長為La＝190 mm，天線臂最寬處為Wa＝90mm.天線基板為FR4，介電常數為4.4，厚度為1.0mm.平面蝶形（bow-tie）天線作為一種寬帶偶極子天線形式，當天線臂上電流分布具有類似行波特性時，將能獲得良好的帶寬特性和較小的時域拖尾振鈴.然而，有限尺寸的bow-tie天線由于末端截斷效應通常會使得天線臂上殘余電流形成多次反射，從而導致端口特性變差、增加振鈴.為了減小天線末端的反射電流，電阻加載是比較簡單有效的手段.為了便于加載電阻更好地吸收殘余電流，本文針對半橢圓天線臂的末端進行開槽處理，研究了不同的末端開槽方式對天線特性的改善作用，采用的開槽形式分別為矩形面、半正弦、半橢圓、三角面，每種開槽形式的數目為三個，寬度為wc＝23.3mm，長度為Lc＝20mm，加載電阻置于在開槽形成的銳化部位，電阻阻值均取150Ω.考慮到加載電阻的安裝要求，開槽后的銳化部位寬度固定為d＝5mm.

圖1 四種開槽天線形式

同時，為了避免后向輻射以及抑制自由空間雜波干擾、增強天線方向性和拓展低頻段帶寬，設計中采用了一種V形結構的金屬背腔［16］.針對上述的開槽形式和背腔結構，本文采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行相應的仿真分析.

圖2 四種開槽天線端口阻抗

圖3 四種開槽天線駐波系數

對于超寬帶天線設計，為了實現良好的寬帶特性，一般要求端口阻抗中實部和虛部變化平緩，實部數值穩(wěn)定地圍繞一個固定值起伏，虛部則盡量接近零，以便于后期阻抗匹配設計.針對四種不同的開槽形式，本節(jié)分別給出了相應的端口阻抗特性曲線，仿真結果如圖2所示.可以看到，半橢圓開槽下的端口阻抗實部最為平坦，接近100Ω；虛部接近零，并保持緩變趨勢.雖然其它三種開槽形式下的天線端口阻抗趨勢基本保持一致，實部也都圍繞100Ω波動，虛部在零周圍震蕩，但相比半橢圓開槽形式，天線端口阻抗變化幅度較為劇烈.四種不同開槽形式的天線電壓駐波系數仿真結果見圖3，其中半橢圓開槽形式的駐波系數在100～800MHz頻率范圍內均小于1.5，在高頻段小于1.75.其它三種開槽形式的天線駐波系數基本一致.半正弦開槽天線駐波系數在低頻端最差，略大于2；矩形面開槽天線駐波系數在高頻端約為2.00～2.25.從仿真結果中可以看到，半橢圓開槽駐波特性最好，駐波系數小于1.75時阻抗帶寬超過兩個倍頻程.為了說明天線的頻率響應特性，圖4比較了四種末端開槽天線的群時延，可以看到，三角面開槽天線的群時延在700MHz附近有較大跳變，半橢圓開槽天線在通帶內趨勢平緩，幅度小于3ns.相比而言，半橢圓末端開槽形式下的天線端口阻抗最平坦，通帶內駐波系數較小，群時延變化平緩.這意味著半橢圓開槽的天線形式有利于饋電時的阻抗變換，端口反射較小、時域信號拖尾振鈴可以得到抑制.因此，在天線設計中選擇具有三個半橢圓的開槽形式是比較合適的.

1.2 開槽數量及背腔類型仿真實驗

圖4 四種開槽天線群時延

圖5 三個半橢圓不同開槽長度駐波系數

為了進一步優(yōu)化天線端口特性，本節(jié)針對半橢圓開槽的數目和開槽長度進行了仿真分析，以期獲得最佳的天線特性.首先保持開槽數目為三個不變，調整半橢圓開槽長度Lc（長半軸），比較了不同開槽長度對天線駐波系數的影響.仿真結果見圖5，可以看到當Lc＝23.3mm時，天線的駐波系數在高頻段稍高于Lc＝20mm，在中頻段優(yōu)于Lc為20mm或30mm的開槽形式.在低頻段，半橢圓開槽長度對駐波系數影響甚微.因此，選取半橢圓開槽長度為23.3mm是比較合適的.此時，半橢圓開槽的長半軸與短半軸比率為1，即開槽形式為半圓面.這說明，當末端開槽數目為三個時，開槽形式為半圓面可以獲得最優(yōu)的阻抗帶寬.

調整半圓面開槽的數目，分析天線端口特性的變化.隨著開槽的數目變化，開槽形成的銳化部位和加載電阻的數目也會相應地改變.此處分析比較了末端半圓面開槽數目為1～3個時天線的端口特性，圖6給出了不同數目半圓面開槽時對應天線的端口阻抗，從圖中可以看到，當半圓面開槽數目為兩個時，天線端口阻抗分布最為平緩，實部在100Ω左右，虛部接近0，一個或三個半圓面開槽形式的天線端口阻抗變化幅度則相對更劇烈.在圖7中，可以看到雙半圓面開槽形式的天線駐波系數在500MHz以下優(yōu)于1.25，小于半圓面開槽數目為一個或三個時的天線駐波系數.在高頻端，雙半圓面開槽天線的駐波略高于一個或三個半圓面開槽天線的駐波系數，但仍然保持在1.85以下.通過以上分析可以說明，在天線末端開半圓槽時，末端殘余電流流向開槽形成的尖銳部位；通過電阻加載，可以有效地吸收殘余電流.然而，當開槽數目過多時，吸收殘余電流的作用改善并不明顯，表現在天線端口特性上即為駐波系數隨開槽數目超過兩個時并無太多改善.綜合以上分析，選擇兩個半圓面末端開槽的天線形式，并在開槽形成的銳化部位加載電阻是不錯的選擇.

圖6 不同數目半圓開槽天線端口阻抗

圖7 不同數目半圓面開槽天線駐波系數

除了末端開槽的形式和數目，此處還進一步分析了金屬背腔的形式對天線特性的影響.常用天線背腔形式為矩形金屬背腔、拋物面腔和凸臺腔等［17-18］.天線背腔的作用在于形成鏡像源，并在近場或遠場同相疊加，由此增強方向性或提高增益.天線背腔的高度一般要求為天線工作中心頻率對應的波長四分之一，但實際工程應用中通常會小于這個值.當天線工作的頻帶比較寬時，天線背腔的高度對不同頻段的影響是不一樣的.此處，我們仿真了三種不同形式的背腔，包括矩形腔、V形腔、指數型腔，并觀察這三種類型的背腔對天線端口特性的影響.這三種類型背腔的長寬均為400mm×200mm，背腔的高度為51mm.其中，V形腔包括兩臂對稱的斜面和平行于天線表面的矩形金屬面，指數型腔頂面為指數型曲面.在V形腔的頂面中，中間部位的矩形金屬面尺寸為5mm×200mm，并距天線表面30 mm，側面為兩個對稱的斜面，連接矩形金屬面和背腔的側臂.指數形腔頂部曲面數學函數表達式為：

式中：a＝31；b＝2.653；c＝100.應用三種不同類型背腔對應的天線駐波系數仿真結果如圖8所示，從圖中可以看到V形腔在低頻段明顯降低了電壓駐波系數，在高頻段駐波系數優(yōu)于矩形腔、略差于指數形腔.整體上V形腔與指數型腔天線的駐波系數相近，均優(yōu)于矩形腔.考慮到背腔制作的難易程度，選擇V形腔.

圖8 三種類型背腔半圓面開槽天線駐波系數

圖9 天線結構示意圖

2 天線加工測試及實驗結果

通過仿真軟件對天線饋電間隔、背腔高度等參數優(yōu)化后，最后加工制作了一對半圓面開槽、V形腔的對稱半橢圓天線樣機.天線的端口匹配網絡采用1∶2的商用阻抗變換器ADTL2-18＋，天線平面示意圖見圖1（b），立體結構示意圖見圖9，尺寸參數見表1.天線整體尺寸大小為400mm×200mm×51mm，介質基板為FR4，其介電常數為4.4，厚度為1mm，V形腔采用薄鐵皮加工而成.

表1 天線尺寸參數 單位：mm

利用安捷倫矢量網絡分析儀E5071C對天線樣機的端口特性進行測試，測得天線的駐波系數如圖10所示.在圖10中，駐波系數實測與仿真結果在低頻段吻合較好，小于1.25，并在頻帶內趨勢基本保持一致.由于受環(huán)境影響及同軸電纜端口反射等干擾，高頻段實測與仿真結果有一定出入，但駐波小于2時阻抗帶寬仍優(yōu)于兩個倍頻程.若在天線仿真過程中，結合實際應用環(huán)境引入合適的建筑墻體模型，由于介質加載效應駐波系數仿真結果在高頻段會更低.

圖10 兩個半圓面開槽天線駐波系數測量

由于脈沖體制穿墻成像雷達對天線的時域特性要求較高，一般要求天線的時域波形保真度高、拖尾振蕩小.為驗證本文中所設計天線的時域信號的保真度，加工了一對相同尺寸末端沒有開槽的對稱半橢圓天線.將兩個天線對面放置在一定高度的泡沫板上，間隔0.5m；使用脈沖發(fā)生器產生一個功率為0dBm的二階高斯脈沖作為激勵源對其中一個天線饋電，另外一個天線則作為接收.分別對接收到的信號進行歸一化，比較給出了兩種天線時域波形如圖11所示.在圖11中可以看到，兩個半圓面開槽天線時域波形比相同尺寸常規(guī)bow-tie天線時域波形的拖尾振鈴更小.

將本文所設計的一對末端開槽加載天線樣機應用于穿墻成像雷達系統(tǒng)，雷達探測結果如圖12所示.實驗場景為，雷達置于厚度為24cm普通混凝土墻表面，一個健康成人位于墻后4m處.在圖12中可以看到，對人體目標的胸腔呼吸運動引起的時諧運動成像效果比較明顯，目標位置大約位于3.8m處.實驗結果驗證了該天線在穿墻成像雷達系統(tǒng)應用中的有效性.

圖11 兩種天線時域波形

圖12 生命探測雷達實驗結果

3 結 論

針對常規(guī)平面半橢圓偶極加載天線形式，分析了末端四種開槽方式對天線端口特性的影響.經過分析比較，確定了天線末端為半圓面開槽方式.同時針對穿墻成像雷達對天線時域特性及端口特性的要求，進一步分析了半圓面開槽的數目、金屬背腔的類型對天線特性的影響，并確定采用兩個半圓面末端開槽、V型金屬背腔的天線形式.借助電磁仿真軟件優(yōu)化，確定了天線臂、末端開槽和金屬背腔的尺寸，加載阻值和饋電間隔等.經過加工與測試，表明該天線阻抗帶寬優(yōu)于兩個倍頻程、時域波形保真度高，能夠滿足穿墻成像雷達的應用需求.

［1］AMINEH R K，RAVAN M，TREHAN A，et al.Near-field microwave imaging based on aperture raster scanning with TEM horn antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59（3）：928-940.

［2］ELBOUSHI A，JOANES D，DERBAS M，et al.Design of UWB antenna array for through-wall detection system［C］／／IEEE Symposium on Wireless Technology and Applications（ISWTA），2013：349-354.

［3］ELSHEAKH D M，ABDALLAH E A.Novel shapes of vivaldi antenna for ground pentrating radar（GPR）［C］／／IEEE 7th European Conference on Antennas and Propagation.New York，2013：2886-2889.

［4］SHAO Jinjin，FANG Guangyou，FAN Jingjing，et al.TEM horn antenna loaded with absorbing material for GPR applications［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014，13：523-527.

［5］KYUNGHO C，PYUN S，JAEHOON C.Design of an ultrawide-band TEM horn antenna with a microstrip-type balun［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53（10）：3410-3413.

［6］LI C，CHANG T，BURNSIDE W D.An ultrawidebandwidth tapered resistive TEM horn antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2000，48（12）：1848-1857.

［7］YANG Yunqiang，ZHANG Ceming，FATHY A E.Development and implementation of ultra-wideband see-through-wall imaging system based on sampling oscilloscope［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2008，7：465-468.

［8］NISHIOKA Y，MAESHIMA O，UNO T，et al.FDTD analysis of resistor-loaded bow-tie antennas covered with ferrite-coated conducting cavity for subsurface radar［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1999，47（6）：970-977.

［9］UDUWAWALA D，NORGREN M，FUKS P，et al.A deep parametric study of resistor-loaded bow-tie antennas for ground-penetrating radar applications using FDTD［J］.IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing，2004，42（4）：732-742.

［10］周蔚紅，何建國，周東明.一種新型探地天線的優(yōu)化設計［J］.電波科學學報，2004，19（3）：371-373.ZHOU Weihong，HE Jianguo，ZHOU Dongming.Optimized design of a new kind of GPR planar antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2004，19（3）：371-373.（in Chinese）

［11］SPURGEON W，EL RAYESS M，DORSEY P，et al.A Summary of Measurements of Permittivities and Permeabilities of Some Microwave Absorbing Materials.http：／／oai.dtic.mil／oai／oai？verb＝getR-ecord＆metadataPrefix＝html＆identifier＝ADA 223221，1990，2014.

［12］劉立業(yè)，粟 毅，毛鈞杰.具有屏蔽腔和吸波材料的探地雷達天線的FDTD分析［J］.電波科學學報，2006，21（3）：422-427.LIU Liye，SU Yi，MAO Junjie.FDTD analysis of ground penetrating radar antennas with shields and absorbers［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（3）：422-427.（in Chinese）

［13］LESTARI A A，YAROVOY A G，LIGTHART L P.RC-loaded bow-tie antenna for improved pulse radiation［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，52（10）：2555-2563.

［14］方廣有.無載波脈沖探地雷達天線及其實驗研究［J］.電波科學學報，1995，10（1／2）：75-81.FANG Guangyou.A study about impulse suburface survey radar’s antenna and its experimental test［J］.Chinese Journal of Radio Science，1995，10（1／2）：75-81.（in Chinese）.

［15］WU B，JI Y，FANG G.Analysis of GPR UWB halfellipse antennas with different heights of backed cavity above ground［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2010，9：130-133.

［16］SHAO Jinjin，FANG Guangyou，JI Yicai，et al.Semicircular slot-tuned planar half-ellipse antenna with a shallow vee-cavity in vital sign detection［J］.IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，2014，7（3）：767-774.

［17］CHEN Y F，HUANG Y，ZHANG J，et al.Microwave life-detection systems for searching human subjects under earthquake rubble or behind barrier［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2000，47（1）：105-114.

［18］CUTLER C C.Parabolic-antenna design for microwaves［C］／／Proceedings of the IRE，1947，35（11）：1284-1294.