陳 勖，鄧文琪，耿 煜

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，廣東 深圳 518172）

引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，越來越多的中青年人群存在壓力過大、生活不規(guī)律等亞健康癥狀，各種突發(fā)疾病的風(fēng)險(xiǎn)也越來越高。此外，中國逐漸步入老年化社會(huì)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2013年底老年人數(shù)量已經(jīng)達(dá)到2億[1]。如何對這幾類人群進(jìn)行有效的健康監(jiān)測以避免意外發(fā)生成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

呼吸是生命體征監(jiān)測中的一項(xiàng)重要的參數(shù)，在睡眠疾病診斷、臨床監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域都具有重要的研究意義。傳統(tǒng)監(jiān)測呼吸方法包括壓力法和溫感法。壓力法因其靈敏度過高而易受到各種因素的干擾，而溫感法利用放置在口腔或鼻腔處的溫度傳感器來獲取呼吸信號，由于傳感器要和人體皮膚接觸往往會(huì)給個(gè)體帶來不適[2]。

非接觸式生命體征監(jiān)測技術(shù)是在不接觸生命體的情況下，對目標(biāo)進(jìn)行有效監(jiān)測并獲取生命體的呼吸等參數(shù)，是近些年來隨著醫(yī)學(xué)工程、社會(huì)發(fā)展、軍事需要而發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)?；诔瑢拵Ъ夹g(shù)的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)以其非接觸式、輻射小、效率高、受環(huán)境影響小、使用方便等優(yōu)勢，正迅速成為健康監(jiān)測的研究熱點(diǎn)。

超寬帶天線作為發(fā)射接收電磁波的部件，是整個(gè)超寬帶脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的難點(diǎn)，如圖1所示。因?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)系統(tǒng)要求天線結(jié)構(gòu)相對簡單，方便與其他組件集成，在工作帶寬范圍內(nèi)電壓駐波比小于2：1，同時(shí)還需要滿足發(fā)射信號在足夠大的頻率范圍內(nèi)保持恒定的幅度譜和線性的相位譜，這樣才能保證在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)射的脈沖信號不變形，不會(huì)影響回波信號的接收。

圖1 超寬帶雷達(dá)框圖Fig.1 The block diagram of ultra-wideband radar

正弦天線能夠獲得很寬的頻帶，且在寬頻帶內(nèi)具有良好的阻抗特性、方向特性及圓極化特性。相比較傳統(tǒng)的等角螺旋天線而言，正弦天線同時(shí)具備平面、超寬帶、單孔徑、全極化四種特性，逐漸成為超寬帶通信、雷達(dá)、射電天文學(xué)領(lǐng)域中的首選。

本文旨在設(shè)計(jì)一款工作于6GHz～ 9GHz頻段的超寬帶正弦天線，采用指數(shù)漸變微帶巴倫的形式完成天線的阻抗匹配和平衡饋電，采用平底反射腔來實(shí)現(xiàn)天線的單向輻射。

1 天線設(shè)計(jì)

正弦天線屬于頻率無關(guān)天線系列，它的工作頻段僅取決于天線輻射口徑的物理尺寸。

1.1 正弦單元

正弦曲線是正弦天線的基本單元，如圖2所示，只需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)即可組成正弦天線。與其他的寬帶對數(shù)周期結(jié)構(gòu)天線一樣，基本的正弦曲線僅僅與角度α和比例因子τ決定。其曲線由一系列的單元組線段構(gòu)成，且相鄰單元組間存在一定的比例關(guān)系。根據(jù)Duhamel對正弦天線的描述，正弦曲線由公式（1）決定[3-4]：

式中r和Ф為曲線的極坐標(biāo)；p為相應(yīng)的單元編號，從外往內(nèi)依次遞增。相鄰兩個(gè)單元半徑之間的關(guān)系為

圖2 基本正弦曲線Fig.2 Basic sinuous curve

公式（1）表明，將基本的正弦曲線圍繞坐標(biāo)原點(diǎn)順時(shí)針和逆時(shí)針各旋轉(zhuǎn)δ角度，可以得到兩條曲線，而這兩條曲線所圍成的區(qū)域就是正弦天線的一個(gè)正弦臂，如圖3所示。

圖3 一個(gè)正弦臂Fig.3 One arm formed by sweeping the sinuous curve

參數(shù)αp和δ的選取和設(shè)計(jì)正弦天線的阻抗、方向圖系數(shù)、方向圖波瓣寬度有直接關(guān)系。本次設(shè)計(jì)采用自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的對數(shù)周期雙臂正弦天線，具體參數(shù)αp=45°，δ=22.5°，天線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 完整的正弦臂Fig.4 Completed two arm patterns

加工天線所選用的基板材料為Rogers 4350B，介電常數(shù)為3.66，厚度為0.254mm。

1.2 饋電設(shè)計(jì)

一般同軸線纜的輸出阻抗為50Ω，而正弦天線的輸入阻抗為200Ω左右，而且正弦天線相對雙臂要求平衡饋電，因此需要一個(gè)巴倫來完成平衡-不平衡變換和阻抗匹配。

本文采用漸變微帶線到雙線的巴倫結(jié)構(gòu)，如圖5所示。當(dāng)微帶線的接地面指數(shù)漸變到與上側(cè)微帶線同樣寬度時(shí)，就成為平衡的平行雙線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從平面正弦天線到同軸線纜之間的平衡饋電和阻抗變換。介質(zhì)基板的頂部金屬為信號線，底部為地平面，它們的指數(shù)曲線方程均可以用下面的公式（3）表示。

式中，參數(shù)a和b由微帶巴倫的幾何尺寸所決定，如式（4）和（5）所示[5]。

圖5 微帶線巴倫的幾何結(jié)構(gòu)Fig.5 Geometrical structure of micro-strip balun

上述微帶巴倫的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)w、w1和w2最終通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定為：w=0.5mm，w1=1.3mm，w2=6.5mm。對設(shè)計(jì)的巴倫進(jìn)行電磁仿真，其回波損耗曲線如圖6所示。

圖6 巴倫的回波損耗Fig.6 Return loss of micro-strip balun

1.3 背腔設(shè)計(jì)

在對生命體進(jìn)行呼吸監(jiān)測等應(yīng)用場合，只需要用到正弦天線的單向輻射，而為了獲得單向輻射，通常的做法是在天線的一側(cè)安裝一個(gè)反射腔來去掉不需要的輻射。反射腔一般采用平底腔。腔體深度約為λ/4（λ為天線中心頻率波長），腔體直徑與天線外徑大體相同[6-7]。

這里對加背腔和未加背腔的正弦天線進(jìn)行電磁仿真，如圖7所示。

圖7 方向圖（加背腔 vs 未加背腔）Fig.7 Directivity radiation patterns

2 結(jié)果分析

根據(jù)前述的設(shè)計(jì)結(jié)果，本文對該天線及微帶巴倫進(jìn)行了實(shí)際加工制作。天線實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 正弦天線實(shí)物圖Fig.8 The photo of sinuous antenna

使用AgilentN5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線饋電端口的回波損耗進(jìn)行了測試，如圖9所示，在6～9GHz的設(shè)計(jì)頻段上，S11基本保持在-10dB以下，匹配性能良好。

圖9 天線回波損耗Fig.9 Measured return loss of the whole antenna

在微波暗室中對天線的輻射方向圖和增益進(jìn)行了測試，這里給出8GHz測試頻點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖10所示，測試和仿真結(jié)果基本一致。另外添加了平底型背腔后，在一定程度上較好地實(shí)現(xiàn)了天線的單向輻射性能。

圖10 天線方向圖（a）E面（b）H面Fig.10 Directivity radiation patterns of the sinuous antenna

3 結(jié)論

根據(jù)非接觸式生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的需求，本文設(shè)計(jì)了一款小型化超寬帶雙臂正弦天線。測量結(jié)果表明在6GHz～9GHz的工作頻帶內(nèi)，天線的回波損耗均小于-10dB，與仿真結(jié)果較為吻合。測試得到的E面和H面歸一化方向圖在工作頻帶內(nèi)與仿真結(jié)果較好吻合。該天線工作頻帶寬、增益適中，能滿足近距離生命體呼吸監(jiān)測雷達(dá)的天線要求。