一种超宽带穿墙雷达天线单元的设计

在反恐及灾后救援等紧急情况中，营救人员面临的难题是尽快确定事故现场人质、恐怖分子及幸存者的确切位置，以便进行及时救助或打击恐怖活动。由于灾后幸存者、恐怖分子及人质通常都是隐藏的(被混凝土、墙体等障碍物隐藏)，如何准确地给出隐藏目标的定位是许多领域面临的重要问题［1］。

超宽带成像技术就是基于上述目的的重要应用。现阶段超宽带穿墙雷达系统的研究已使其具有较高的距离分辨率、高功率效率，并且可检测静止和移动目标。另外，一些更前沿的相关研究，使得穿墙雷达具有低成本、低功耗等优点，使其实际应用成为可能［2-7］。对于应用在超宽带穿墙雷达上的超宽带天线，根据超宽带穿墙雷达自身特点和雷达使用的环境以及实用性，要求这类天线具有带宽大、增益高、轻便等特点。为此，科研人员设计了圆锥裂缝天线［8］、印制电路天线［9］、波束扫描天线阵［10］和基于反射体的厚单极子超宽带天线［11］等。但这些天线存在尺寸较大、结构复杂、制作难、全向辐射、不利于实际使用以及工作频率过高等问题。为此，设计了一种新的超宽带穿墙雷达天线单元。

1 单元结构

设计的天线单元结构如图1所示，选用微带偶极子天线，主要是因为微带天线具有体积小、质量轻等优点［12-13］，单元工作在特高频段，其主要由贴片、介质板、铝板和同轴馈线组成。贴片形状如图2所示，微带天线采用偶极子天线，贴片形状由椭圆和三角形组成。无论是椭圆偶极子天线还是三角形偶极子天线都有较宽的带宽，所以选择将2种形状结合，但形状较为复杂，给天线制作带来一定的困难［4］。同时选择水平偶极子和垂直偶极子双线性极化。介质板εr=3.0，tanδ=0.002，厚度h1=1.6 mm。天线的谐振工作频率主要由贴片中椭圆的长轴长度和介质板的相对介电常数决定。天线馈电方式采用背馈，偶极子天线馈电采用巴伦，以便天线端口阻抗匹配到50 Ω［14-15］，巴伦结构如图3所示，巴伦可平衡天线馈线的电流，铝板厚度h2=2.0 mm，距离介质板为λ/4，充当反射板，使天线仅向前半空间辐射，可避免后向辐射，增大天线的增益。图2(a)中心4个小圆为馈电点，图2(b)的灰色(黄色)区域为铜，由于靠近馈电点的三角形形状，使得天线单元有4块贴片，上下贴片组成垂直偶极子，左右贴片组成水平偶极子。

图1 天线单元的结构
Fig.1 The antenna element structure

图2 贴片的形状
Fig.2 The shape of antenna element

图3 巴伦结构
Fig.3 The balun structure

2 天线单元的仿真

根据设计的天线单元，在CST 2009软件建立仿真模型，对天线各参数仿真及优化，仿真S参数及方向图如图4、5所示。

图4 参数优化后的S参数曲线
Fig.4 The curves of optimized S-parameter

图5 天线单元中垂直偶极子的方向图
Fig.5 The pattern of vertical dipole antenna element

在天线单元中，水平偶极子天线和垂直偶极子天线形状完全一致，理论上二者的回波损耗也应完全一致，但图4中的S11与S22有差异，因为天线单元的双线性极化在馈电同轴线上有交叉，导致水平偶极子天线的馈线与垂直偶极子天线的馈线不可能完全一致，因此，其天线结构不完全一样。

从图5可见，天线单元上的偶极子天线实际有3个谐振频率点，且相距较近，从而得到较大的带宽(驻波比小于2)。双线性极化之间相互交叉极化非常小，垂直偶极子天线隔离度在－30 dB以下。在1.5 GHz时2个偶极子天线的E面主瓣宽度为60.5°，H面主瓣宽度为90.4°，此时的增益为8.3 dB。

3 天线单元实测与仿真对比

根据仿真的结果制作实物，如图6所示。使用AV36580A网络矢量分析仪测量天线的S参数及驻波比。将S参数和驻波比的仿真和实测数据在Matlab中作对比图，如图7～9所示。

图6 天线单元实物
Fig.6 The antenna element

图7 回波损耗对比
Fig.7 The comparison of return loss

图8 隔离度对比
Fig.8 The comparison of isolation

图9 驻波比对比
Fig.9 The comparison of VSWR

考虑驻波比小于2、带宽为0.85～2.05 GHz、谐振工作频率为1.52 GHz，水平极化和垂直极化隔离度基本在－30 dB以下，实测与仿真波形基本一致，达到了设计要求。

在微波暗室里，测量天线单元1.5 GHz方向图和增益并与仿真对比，结果如图10所示。

从图10可看出，当频率为1.5 GHz时，方向图实测与仿真结果基本吻合，H面3 dB主瓣宽度为100°，E面主瓣宽度为63°，比仿真分别大了10°和2°。天线单元增益实际只测量了1.1、1.3、1.5、1.7 GHz，如图11所示，实测比仿真小，主要原因是同轴线损耗和焊接问题。

图10 天线单元1.5 GHz方向图
Fig.10 The pattern of the antenna element at 1.5GHz

图11 增益对比
Fig.11 The comparison of gain

4 结束语

在穿墙雷达应用上，设计一种双线性极化超宽带天线单元。采用微带偶极子形式，利用合适的贴片形状、介质板以及结构实现天线在特高频段工作，体积小、质量轻，便于在实际中应用。天线单元达到设计要求，并且实测和仿真基本一致，天线单元的驻波比小于2，带宽为0.85～2.05 GHz，中心工作频率为1.52 GHz，相对带宽为82.8%。具有质量轻、便携、带宽大、实用等优点，为超宽带穿墙雷达实现3D成像提供了较为可靠的天线。