超寬帶生物雷達變頂角錐面陣的設計與仿真

梅佳磊，周培聰，劉仁鑫，熊新農*

(1. 江西農業大學生物科學與工程學院，江西 南昌 330045；2. 江西省畜牧設施技術開發工程研究中心，江西 南昌 330045；3. 江西農業大學工學院，江西 南昌 330045)

1 引言

近年來豬瘟、禽流感等傳染病疫情多有發生，對疫病畜禽類生命信息的近距離接觸式的監測檢測會影響到人們的健康甚至生命安全，因此需要一種非接觸式遠距離監測檢測的技術方法。生物雷達能間隔一定距離、穿透一定厚度的電介質非接觸地探測監測呼吸、心跳等生命體參數信息，是紅外、光學及超聲等技術無法比擬的，對疫病畜禽類生命信息的監測具有獨特優勢和重大意義。由于超寬帶雷達具有穿透能力強、分辨能力高、測距精度高、功耗及系統復雜度較低等優點，而為促進生物雷達技術在現代農業畜牧業中的推廣應用，適應不同種類不同尺寸畜禽個體的監測需要，雷達要有足夠的帶寬，因此畜禽類生命體征信息監測采用超寬帶雷達更具優勢空間。

天線作為雷達系統的重要組成部分，國內外已開展了許多的超寬帶生物雷達天線研究，主要包括雙錐天線、TEM 喇叭天線、Vivaldi 天線、蝶形天線、螺旋天線等[1]，但是現有的超寬帶生物雷達天線都沒有涉及在固定基座上進行變距變焦式監測的問題，不利于多重多維地獲取疫病畜禽生命體參數信息，難以適應畜禽疫病生命體的監測診斷需要。對數周期天線作為一種頻率無關的天線，具有很好的超寬帶特性，采用對數周期天線陣列有利于獲取目標的速度和方位信息，但當前超寬帶生物雷達天線研究中，基于對數周期天線的研究相對較少。四川大學的程陽等設計了仰角可調的縮比變形對數周期天線，可實現對數周期天線變形，使其最大輻射方向在一定范圍內連續可調[5]。雖然其有利于引入極化信息參數，但僅為單根對數周期天線的變形，不利于目標方位信息的獲取，對于疫病畜禽生命體參數信息的獲取仍有很大的局限性，而對于不同種類不同尺寸畜禽多目標的監測，更是難以實現。因此針對當前畜禽類超寬帶生物雷達的現實問題，需要開展可改變頂角和孔徑的對數周期天線陣研究。

2 錐面陣的理論分析與設計

2.1 對數周期天線

對數周期天線(LPDA)由若干個不同長度的對稱振子排列而成，這些振子在頂點的饋電點向外的長度連續增加，各陣元的虛頂點位于坐標原點，最長振子和最短振子的長度由工作頻帶的上、下限決定，即

(1)

(2)

式(1)(2)中的λL和λU分別為對應下限和上限頻率的波長。

其示意圖如圖1所示。

圖1 對數周期天線的結構示意圖

對數周期天線由n個振子按比例因子τ排列結構的，關系式為：

(3)

(4)

式(3)(4)中：dn為兩相鄰振子間的距離，ln為第n根振子的長度，Rn為第n根振子到天線虛頂點的距離，對數周期天線結構由比例因子τ和振子端點與中心線之間的夾角α決定。

2.2 對數周期天線環形陣列設計

根據天線設計理論，對數周期天線由對稱振子按比例排列而成，超寬帶生物雷達變頂角錐面陣的接收天線采用各陣元天線虛頂點共圓的空心環設計的對數周期天線環形陣，g套對數周期天線水平放置。圖2中，以原點處的陣元為參考點，陣元的位置為(Rn，θg)，θg表示第g套對數周期天線軸線與x軸的夾角，其中n=1，2，…，N；g=1，2，…，G。

圖2 對數周期環形陣坐標圖

這個陣列可以視為一個多端口網絡，所有陣列單元的電壓和電流的關系均可以由輸入阻抗表示

(5)

式(5)中，每一列對應一個陣列單元，其中Zij(i=j)表示自阻抗；Zij(i≠j)表示第j個陣列單元對第i個陣列單元的互耦影響。

文獻[6]為滿足多種不同體型大小的低空飛行昆蟲監測需要，設計了采用各陣元天線虛頂點共圓空心環式的對數周期偶極子天線環形陣，對各陣元振子加權，根據現實需要“屏蔽”相應的傳輸區和不激勵區振子，在信噪比較高的情況下適當調整陣列的物理孔徑獲得了較高的陣列角度分辨力。為了更好地監測不同體型、不同群體的畜禽，需要設計帶寬較寬，方向性不同的新型超寬帶生物雷達。

2.3 變頂角錐面陣的結構設計

設計的錐面陣列結構如圖3所示，錐面陣列在支撐管上設有呈對數周期排列的振子，振子對稱排列設置在支撐桿頂部，支撐桿底部與底座連接，并通過底座上的滑槽轉動調節傘形陣方向[7]。支撐桿插槽內設置有鋸齒狀的調節條，支撐桿通過調節條的位置從而改變傘形陣的開合角度，從而實現變距變焦進行更多維監測目標。

圖3 錐面陣列的結構示意圖

3 基于HFSS的錐面陣仿真

3.1 變頂角錐面陣模型構建

所設計的天線采用HFSS15.0軟件進行建模仿真。單位陣元為不同長度的半波振子天線組成的對數周期天線，錐面陣模型由六根相同的對數周期天線呈環形分布構成，支撐桿與底座采用pec材料，通過改變錐面結構的頂角θ，使天線陣子的極化方向發生變化，通過計算機仿真建模以分析不同θ時天線的性能情況。建模步驟可總結如下：

1) 確定天線各結構參數，并在軟件中設置；

2) 使用pec材料建立天線各結構模型；

3) 添加合適大小的空氣腔并設置輻射邊界；

4) 添加端口并設置為集總端口激勵；

5)添加掃頻設置，并進行仿真計算。

表1為天線的主要參數。

表1 天線的主要參數

3.2 不同頂角下天線性能分析

通過旋轉各對數周期天線，從而形成不同頂角的錐面陣，同時各振子的俯仰角均發生改變，所設計的天線收縮頂角的過程中，天線振子之間的耦合也會發生變化，因此以30°為單位步長，對不同頂角時的錐面陣天線分別進行仿真，并對仿真結果進行分析。為防止天線頂角過小導致振子產生耦合嚴重與碰撞[8]，因此所設計的天線為180°至30°連續可調。

1)天線頂角θ=180°時電磁仿真軟件HFSS中建立的仿真模型，如圖4所示。

圖4 仿真模型θ=180°

根據仿真結果分析天線的中心頻率與有效帶寬，天線設計理論中認為電壓駐波比(VSWR)<2的部分為天線的工作頻段[9]，天線頂角θ=180°時電壓駐波比隨頻率變化關系如圖5所示。

圖5 θ=180°時VSWR

當天線頂角θ=180°時，天線有效工作頻段為2.8-10GHz，中心頻率為6.4 GHz，滿足超寬帶天線設計要求。

2)天線頂角θ=90°時電磁仿真軟件HFSS中建立的仿真模型，如圖6所示。

圖6 θ=90°

天線頂角θ=90°時的電壓駐波比隨頻率變化關系如圖7所示。

圖7 θ=90°時VSWR

當天線頂角θ=90°時，天線有效工作頻段為2.1-10.2GHz，中心頻率為6.5 GHz，帶寬變寬，中心頻率略微有所偏移，滿足超寬帶天線設計要求。

3)以30°為步長，將180°至30°所有不同頂角的錐面陣天線仿真結果進行整合，如表2所示。仿真數據分析表明，隨著頂角的變化，天線的中心頻率會略微產生偏移，工作頻率會發生明顯的變化：當θ=90°時，天線最低頻率達到2.1GHz，當θ=60°與30°時，最高頻率達到10.8GHz；而當θ=90°時，天線的帶寬達到最寬的8.1GHz水平，當θ=30°時，天線帶寬達到最窄的5.7GHz水平。仿真結果表面，通過對天線頂角的調節可以明顯改變天線的有效工作頻段，但天線的中心頻率并不會發生明顯變化。

表2 不同θ對天線帶寬的影響

天線方向圖與增益是表征天線性能的主要參數。天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，而天線的方向性是指天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力。超寬帶生物雷達的變頂角錐面陣通過頂角調節，在不同的頂角θ對天線主要性能的影響情況，見表3。

表3 不同θ對天線性能的影響

仿真結果表明，所設計的天線在將頂角θ從180°調節至30°的過程中，天線的方向性與增益均發生變化：天線頂角在180°時方向性系數與最大增益均為最高，隨著頂角的減小，天線的方向性系數與天線增益逐漸減弱，而當θ到達90°時，方向性系數與天線增益略微有所增強，當θ到達30°時，天線的方向性系數與天線增益均達到最低水平。

隨著頂角θ的變化，天線的遠場增益與方向圖也發生變化，同樣地，天線頂角在180°與90°時，增益達到最高(見圖7)。

通過對比不同頂角θ時天線的3D遠場輻射圖增益可以發現：不同頂角時，天線在其最大輻射方向上的增益有所不同，天線的方向性也會產生變化。仿真結果表明，錐面陣頂角在180°與90°時，天線的方向性較好，增益較強，帶寬較寬。實際監測時，可將所設計的變頂角錐面陣調節成適宜的頂角狀態，以滿足不同的監測需求。

4 結論

設計的超寬帶生物雷達變頂角錐面陣，可利用變頂角調節所產生的工作頻段與增益等特性的變化對監測目標進行靈活式監測，以利于獲取不同畜禽生命體參數信息。經過仿真分析得出：

1)該錐面陣通過滑槽結構可實現改變天線的虛頂角，利用控制桿高低的調節組成不同直徑的立體陣，實現頂角從180°至30°連續可調。

2)超寬帶生物雷達錐面陣的變頂角調節可使得其工作頻段與增益等特性發生明顯的變化。最低頻率可至2.1GHz，最高頻率可達10.8GHz，最大帶寬為8.1GHz，最大增益為6.36dB。

圖7 不同θ時天線的3D遠場增益圖

通過仿真充分驗證了上述方法的有效性與可行性，但由于實際工程應用需求的差異，需對所設計的變頂角錐面陣進行進一步優化，以滿足實際需求。