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便携式火灾探测仪用高性能天线系统仿真设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

作为目前发生频率最高、破坏力最强的重大灾害之一,火灾的发生总会对社会和个人带来沉重的伤害。现有主流的红外、可见光等探测手段都具有不可避免的局限性,在低能见度或是障碍物较多的环境(如森林、仓库等)下,这些方法经常无法及时发现火点,从而错过了扑灭火灾的最佳时机。在此背景下,可以穿透障碍物的微波探测技术逐渐成为火灾探测的新方案,而天线是微波探测系统的组成部分之一,其研究有重要的价值和意义。

本文针对便携式火灾探测系统所用天线的工作需求,对微波探测技术和天线基本理论进行了深入了解,同时对基片集成波导技术、超材料结构单元展开研究,并借助电磁仿真软件CST对所用的具有超宽带特性的锥削槽天线结构进行了设计仿真,为便携式微波探测成像技术产品的实际应用奠定坚实的理论基础,提供了相应的工程价值。本文的主要研究工作如下:

本文首先阐明了微波探测技术和天线的基本理论及性能参数,然后设计仿真了2种基础的共轭锥削槽天线辐射单元方案,并通过对仿真结果进行对比,分析其各自优缺点,最终选择其中一种共轭直线锥削槽天线作为基础的天线辐射单元结构;然后讨论了基片集成波导技术及其转接渐变微带线过渡结构进行馈电的技术方案;最后通过在所设计天线边缘引入超材料结构单元的方案,完成了高性能天线的仿真设计。所设计的天线性能表现优异,在32~38GHz频带内S参数均在-11dB以下,同时具有-15.7dBi的高增益,旁瓣电平小至 -17.1dB,可以作为一个高性能的超宽带天线应用于便携式火灾探测仪前端。

关键词:微波探测;超宽带天线;基片集成波导;超材料

Abstract

As one of the most frequent and destructive major disasters at present, the occurrence of fire always brings heavy damage to society and individuals. Existing mainstream detection methods such as infrared and visible light have inevitable limitations. Under the environment of low visibility or many obstacles (such as forests, warehouses, etc.), these methods often cannot find the fire spot in time, thus missing the best time to extinguish the fire. Under this background, microwave detection technology that can penetrate obstacles has gradually become a new scheme for fire detection. Antenna is one of the components of microwave detection system, and its research has important value and significance.

According to the working requirements of antennas used in portable fire detection systems, this paper has made a thorough understanding of microwave detection technology and the basic theory of antennas. At the same time, it has carried out research on the substrate integrated waveguide technology and metamaterial structure unit, and designed and simulated the tapered slot antenna structure with ultra-wideband characteristics by means of electromagnetic simulation software CST, which has laid a solid theoretical and technical foundation for the practical application of portable microwave detection imaging technology products. The main research work of this paper is as follows:

In this paper, the basic theory and performance parameters of microwave detection technology and antenna are firstly expounded, then two basic conjugate tapered slot antenna radiating element schemes are designed and simulated, and through comparing the simulation results, their respective advantages and disadvantages are analyzed, and finally one of the conjugate linear tapered slot antennas is selected as the basic antenna radiating element structure. Secondly, the technology of substrate integrated waveguide and the technical scheme of feeding by switching the tapered microstrip transition structure are discussed. Finally, by introducing metamaterial structural elements at the edge of the designed antenna, the simulation design of high-performance antenna is completed. The designed antenna has excellent performance, with S parameters below -11dB in the 32-38 GHz band, high gain of -15.7dBi, and sidelobe level as low as-17.1dB. It can be used as a high-performance ultra-wideband antenna in the front end of portable fire detector.

Keywords:microwave detection;ultra-wideband antenna;substrate integrated waveguide;meta materials

目 录

目 录 1

第 1 章 绪论 3

1.1 研究背景及意义 3

1.2 国内外发展现状 3

1.2.1 微波探测成像技术的研究现状 3

1.2.2 超宽带天线技术的研究现状 4

1.3 本文的结构 5

第 2 章 被动微波探测技术及天线设计基础 7

2.1 被动微波探测技术 7

2.2 天线基本理论 8

2.3 天线基本性能参数 9

2.4 天线设计流程 11

2.5 天线仿真软件简介 12

2.6 本章小结 12

第 3 章 基片集成波导馈电部分设计 13

3.1 基片集成波导技术简介 13

3.2 基片集成波导结构设计 14

3.3 微带到SIW转换器设计 15

3.4 本章小结 17

第 4 章 天线辐射单元部分设计 18

4.1 超宽带锥削槽天线背景 18

4.2 共轭锥削槽天线结构设计 19

4.2.1 直线渐变槽线结构 19

4.2.2 指数渐变槽线结构 20

4.3 仿真结果对比与分析 22

4.4 天线性能改善措施 23

4.5 本章小结 26

第 5 章 基于超材料轮廓的天线设计 27

5.1 超材料结构概述 27

5.2 超材料有效参数提取 27

5.3 基于超材料轮廓的天线设计 30

5.4 本章小结 32

第 6 章 总结与展望 33

6.1 总结 33

6.2 展望 33

参考文献 35

致谢 37

绪论

研究背景及意义

被动微波探测技术是一种雷达技术。这种探测技术无需发射机发射信号,而是基于目标物体与背景的热辐射温度差异进行探测,因此表现出了功耗低、无辐射危害、体积小等优点[1]。并且该技术在低能见度和有多重障碍物阻挡时同样适用。由于这样的特性,被动微波探测成像技术得到了较为广泛的应用,例如:微波遥感、无损安全检查、自动驾驶等。

早在2005年,德国杜伊斯堡埃森大学的专家就提出了使用微波技术进行火灾探测的可能 [2]。随着更为深入的研究,利用微波辐射探测系统来探测火灾的火点、火势已逐渐成为被动微波探测技术的一大优势和发展方向。现有主流的可见光、红外探测技术具有缺点和局限性:使用可见光探测手段,只有发生明火时才可能触发报警,往往会错过了最佳的救火时间;而红外探测器容易受到其他放射源的干扰,导致探测报警效率较低。相较于这两者,微波辐射在探测上具有较为明显的优势,其在恶劣环境下抗干扰能力更强,实时性较好。

天线可以为整个微波探测系统提供信息反馈,天线的性能好坏影响被动成像的探测能力。成像探测系统所使用的天线应该波束更窄、增益更高、旁瓣更低。同时因为探测成像系统要具备便携性,所以所设计的天线应尺寸小、易加工、易与平面集成。同时可以结合超宽带技术拓宽天线的带宽,以达到成像探测系统宽频带的要求。

基片集成波导技术是一种新兴的波导结构。基片集成波导不仅损耗低,且具有平面化的特点,基于此技术的天线易于与微波电路进行平面化集成,且加工工艺简单,易于推广。因而,基于基片集成波导馈电的天线在微波毫米波领域具有巨大优势以及广阔的应用前景。

基于上述论述,基片集成波导超宽带天线可为微波探测成像系统前端的天线设计打开新思路。基于基片集成波导技术的超宽带天线设计以应用于火灾微波探测成像系统是一项重要且有意义的课题。

国内外发展现状

微波探测成像技术的研究现状

自然界的各种物体都会辐射出电磁波,而被动微波毫米波成像技术就是利用微波毫米波辐射计接收这些物体辐射的电磁能量,以研究它们的形状、方位等基本性质[3]。通过被动微波成像技术获得的目标场景图像通常可以反映出目标物体每一部分的温差及辐射部分的差异之处,从而进行目标物体的探测和分析[4]

国外关于被动微波探测成像技术的研究始于20世纪30年代。1946年,麻省理工大学的Robert Dicke制造了第一台辐射计[5],使探测技术应用于微波遥感领域。在1971年,Farhat博士提出了基于毫米波主动成像系统探测危险品的课题项目[6],毫米波成像系统于公共安全的应用逐渐成为社会研究的热点。利用微波进行火灾探测是德国杜伊斯堡埃森大学的相关专家在2005年首次提出的。其后,意大利、法国等都有相关专家投入此方向的研究,并都在探测的信息处理和应用层面提出了不同的见解。比如将该探测系统应用在消防员装备中,可以协助消防员辨别门后火情,避免冒然开门造成轰燃的情况[7]

被动微波探测技术逐渐向高度集成化方向发展,这得益于单片微波集成电路芯片技术和半导体技术的发展,这也导致了传统的单通道扫描方式逐渐被多通道集成的系统成像方式所取代。位于美国的西北太平洋国家实验室在对微波全息技术进行探索后,研制了圆柱体扫描三维全息成像系统[8]。此后先进的毫米波器件由美英两国研制成功,使其在相关成像探测技术上得到迅速发展。目前国外微波毫米波实时成像技术和微波毫米波超小型化系统已经较为成熟。其研究重心主要在使系统变得更小且集成度更高、优化天线、利用高速器件实时采集、成像、处理等关键技术方面。

在国内,由于相关的研究起步较晚,微波毫米波成像系统的发展落后于国外水平,相关成像产品还未得到广泛普及。在20世纪 80 年代初,华中理工大学的微波遥感研究室利用毫米波成像辐射计对典型的地物目标进行了大量测试[9],其得到的勘测数据被国内各大研究所的无源微波遥感项目所采用。2006至2009年,南京理工大学毫米波成像研究团队对辐射计扫描成像进行研究,制成原理样机[10];电子科技大学对W波段16元全部采用焦平面线性阵列成像进行了研究[11];2017年,东南大学研制了Ka频段高线性度宽带接收变频前端、Ku波段低噪声接收模块及W波段髙灵敏度宽带辐射计[12]。虽然国内对各种体制的毫米波被动成像理论及技术进行了比较广泛的研究,但均处于实验室研究阶段。相较于国外,我国的微波毫米波成像技术还有较大的发展空间。

超宽带天线技术的研究现状

超宽带(UWB, Ultra-Wideband)技术是一种在20世纪五十年代被提出来新兴的无线传输技术,在军用雷达、遥感和无线通信等领域多有应用[13]。 具有较宽的工作频段是超宽带技术的重要特点,超宽带系统的传输速率可达几个Gbit/s,且单位频带发射功率更低。基于超宽带技术的超宽频带通信系统可以在极复杂的传输环境中实现精确定位和识别,抗干扰能力强,能够满足现代通信对语音、数据、多媒体和视频等信息的大容量高质量传输的要求[14]。基于上述优点,超宽带技术被广泛应用在雷达探测、微波成像、无线定位和个人无线网应用等领域,其前景广阔,发展潜力巨大。

天线是通信系统和雷达探测系统的重要组成部分。对于超宽带系统,超宽带天线的设计是其中最重要的任务之一。在原理上,超宽带天线与传统窄带天线没有本质区别,然而因为超宽带信号要占据极宽的频带,所以必须要兼顾不同频率的信号,这是超宽带天线的设计必须要解决的问题。

随着近几十年的研究,国内外对于超宽带天线技术的研究日趋成熟。有各种超宽带天线被开发出来。双锥天线和扇状偶极子天线国内外早期采用的天线,是通过扰乱电磁谐振来展宽天线的工作频带的。然而这些类型的天线具有诸如馈电困难,低辐射效率和不能对时域目标特性进行测量的缺陷。近年来随着微波集成电路的发展进一步的理论研究,天线设计师提出了许多具有宽频带特性的新型天线结构,例如对数周期天线、Vivaldi 天线、锥面螺旋天线等。并且还有学者将新兴的基片集成波导技术与超宽带天线结合,进一步改善了天线的性能。2013年,吴可等人将基片集成波导技术(SIW)应用在了渐变缝隙天线的馈电结构中,不仅可以获得宽频带,且因其基于标准的PCB印制电路技术的加工工艺,也大幅降低了天线的造价[15]

除了使用基片波导技术,2015年,文献[16]提出了一种具有正弦波纹的60 GHz对极费米锥形缝隙天线( AFTSA ),加载有菱形槽的椭圆形电介质以改善天线特性。改进的天线提供了20 dB的平坦测量增益,回波损耗优于22 dB。在此基础上,原作者于2017年提出了一种利用超材料的天线来提高毫米波应用在28 GHz时的实现增益的新方法,使H平面上的总增益大于14 dB[17]

超宽频带天线及阵列由于其具有优良的性能,顺应电子设备小型化、宽频带和多功能的发展趋势[18],被逐渐应用于现代雷达、电子对抗、通信和微波探测等领域。

本文的结构

本文主要内容围绕微波探测成像的基本原理和天线辐射原理,对可以应用于火灾探测系统的天线进行设计和仿真。全文已天线的基本理论为基础,分析了天线的基本性能参数对于系统的影响,对平面渐变槽线天线的关键参数进行对比分析,并对天线辐射性能的改进进行研究与方案验证。最后尝试引入超材料结构单元,进一步提高天线性能,减低电磁泄漏带来的能量损耗。本文的主要安排如下:

第1章为绪论,主要介绍了用于火灾探测仪的天线的研究背景,介绍了被动微波探测成像技术的现实意义,系统地回顾了被动微波探测成像技术和超宽带天线技术的国内外研究进展及现状,最后介绍了本论文的主要内容和结构安排。

第2章作为后续章节的基础,阐述了被动微波探测成像技术理论基础和天线的基本理论、性能参数,着重讨论了天线各性能参数的意义和指标,并对天线的设计流程进行概括。

第3章介绍了天线馈电部分的设计。讨论了新兴的基片集成波导技术的特点和其应用于天线设计所带来的优势,并基于此设计了微带线通过线性渐变结构转接基片集成波导作为天线的馈电部分的方案,分析了其对天线阻抗匹配性能的影响。

第4章是阐述了天线辐射单元的设计。对超宽带技术及槽线天线进行了研究,介绍了锥形槽天线的知识背景,设计了直线锥削槽和指数锥削槽天线两种天线方案,并通过共轭结构展宽天线的带宽。通过仿真,我们对比了直线锥形槽和指数锥形槽天线的性能,分析讨论了锥削槽的形状对天线性能的影响,并最终选用共轭直线锥削槽天线作为后续的基础天线辐射单元结构。最后采用了一些措施来改善天线方案的阻抗和辐射特性。

第5章介绍了超材料结构单元的特性及有效电参数提取的基本流程,在所设计天线辐射臂外边缘引入超材料轮廓来减少天线辐射壁边缘不必要的能量散射,避免电磁泄漏,进一步提升天线性能,完成最终的高性能天线设计。

第6章对全文所做工作进行了总结,并对有待进一步研究的问题进行展望。

被动微波探测技术及天线设计基础

本章主要回顾了被动微波探测技术的概念,分析了其应用于火灾探测的可行性,同时介绍了关于天线的基础理论与知识,为后续章节的天线设计打下了理论基础。

被动微波探测技术

被动微波探测技术是通过使用微波辐射计,用辐射测量技术,以不直接接触所研究目标的方式,感测所研究目标在微波谱段内反射的、发射的或吸收的电磁辐射,然后经过数学变换,提取所研究目标的有用信息。

任何物体,如果其温度处于绝对零度之上都有热辐射,表现为不同波长的电磁辐射。通常,我们会以辐射稳定,温度准确可靠的黑体辐射源作为标准来衡量物质的微波辐射的特征。黑体辐射源,是一种新型的微波噪声标准源,当黑体与环境温度处于热动平衡时,黑体的辐射率即等于它的吸收率[19]。任意体发出的能量都与黑体发出的能量密切相关,对于在接收天线波瓣内一个表面或目标,从瑞利-金斯表达式可见,接收到的辐射能量,即黑体媒质辐射进入天线的总功率能够用公式(2.1)表示:

(.1)

微波探测系统组成如图2.1所示。

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