面向微波成像应用的新型腔体背衬正弦天线设计与双线性极化特性研究

《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》：A new cavity-backed sinuous antenna for microwave imaging applications

　　本研究针对微波成像系统中对超宽带、双线性极化及单向辐射天线的迫切需求，设计并分析了一种新型腔体背衬四臂正弦天线（FACBSA）。研究人员通过创新的馈电点修改和锐边优化技术，成功实现了天线在2-5 GHz频段的优异阻抗匹配（回波损耗优于-12 dB）和隔离度（优于-20 dB）。实测结果验证了该天线具备双线性极化（DLP）能力和稳定的单向辐射方向图，其性能超越现有设计，为远程传感、目标识别等微波成像应用提供了高性能天线解决方案。

　　

在电磁波应用飞速发展的今天，从地下资源探测到医疗诊断成像，从安全筛查到环境监测，越来越多的领域渴望能够“看”得更广、更清、更准。这背后，离不开一类特殊的“眼睛”——天线。它们负责发射和接收电磁波，其性能直接决定了整个系统的能力。特别是在微波成像领域，工程师们一直梦想着能有一种天线：它既能覆盖极宽的频率范围（超宽带，UWB），以获取高分辨率的图像；又能产生两种相互垂直的偏振波（双线性极化，DLP），从而从不同角度探测目标特性，获得更丰富的信息；同时，它的能量还能集中向一个方向辐射（单向辐射），避免不必要的干扰和能量浪费。然而，将这些优异特性集于一身，并实现简单、轻量化、低成本的制造，是一个巨大的挑战。

传统的四臂正弦天线（FASA）因其独特的自互补结构，天生具备超宽带和极化多样性潜力，是候选者之一。但其复杂的同轴馈电网络和固有的双向辐射模式，限制了其在许多实际成像场景中的应用。以往的改进尝试，或将天线臂分布在基板两侧影响了性能，或未能有效处理天线臂外侧截断产生的“锐边”，导致低频段性能恶化。

发表在《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》上的这项研究，正是为了攻克这些难题。由伊斯坦布尔技术大学的Sulayman Joof、Ibrahim Akduman和Mehmet Cayoren组成的研究团队，提出了一种全新的腔体背衬四臂正弦天线（FACBSA）设计。他们通过一系列精巧的改进，成功打造出了一款性能卓越、更适合微波成像应用的天线。

研究人员主要采用了全波电磁仿真优化、指数渐变微带巴伦（Balun）设计、腔体背衬结构优化以及微波暗室远场测量等关键技术方法。天线原型在Rogers R04003C基板上加工制作，并集成填充了ECOSORB LS-24吸波材料的金属腔体。测量系统使用网络分析仪和标准双脊喇叭天线。

设计原理与优化

标准FASA设计： 正弦天线基于对数周期结构，其每个臂由多个按比例缩放的单元组成。研究采用了自互补结构（δ=22.5°），理论上无限大天线的输入阻抗约为267 Ω。实际应用中，考虑到基板（ε_r=3.38）的影响，通过仿真优化将馈电端口阻抗确定为185 Ω，以便于设计实用的馈电网络。

锐边修改： 针对天线外侧臂截断形成的锐利边缘会劣化低频性能的问题，本研究没有采用传统的直线截断方式，而是创新性地使用圆形曲线来平滑这些锐边。

这一修改显著改善了低频段的回波损耗。

馈电点修改： 为了实现与平面馈电网络的有效连接，研究人员对四个臂的馈电区域进行了对称性修改，确保所有臂均位于基板同一侧，并通过引脚与底部的馈电网络连接。这种方法克服了以往设计将臂置于基板两侧导致的性能下降问题。

馈电网络设计： 设计了两套指数渐变微带巴伦，用于将不平衡的50 Ω coaxial输入转换为平衡的185 Ω输出，以匹配天线端口。该巴伦在2-5 GHz频带内表现出良好的回波损耗（优于-15 dB）和端口间高隔离度（优于-30 dB）。

腔体背衬FACBSA配置： 在天线背面加载了填充吸波材料的金属腔体，将天线的双向辐射转变为应用所需的单向辐射。腔体的深度和直径经过优化，以在保证性能的同时最小化整体尺寸和重量。

仿真结果显示，在2 GHz, 3.05 GHz, 4.1 GHz和5 GHz等多个频点，天线在φ=0°和φ=90°两个主平面上均表现出良好的单向辐射特性。

制作与测量

FACBSA的制作与测量： 制作了天线原型并进行了测量。实测的S参数（回波损耗S₁₁, S₂₂和隔离度S₂₁, S₁₂）与仿真结果高度吻合。在2-5 GHz频带内，两个端口的回波损耗均优于-12 dB，隔离度优于-20 dB，性能优于对比文献中的设计。

双线性极化测量： 在微波暗室中搭建测量系统，验证天线的双线性极化特性。通过固定正弦天线，旋转标准喇叭天线的方向（水平/垂直），测量传输参数S₂₁。

结果表明，端口1（对应垂直极化臂）与垂直放置的喇叭天线为同极化，与水平放置的为交叉极化；端口2（对应水平极化臂）则相反。这清晰地证实了天线具备独立的双线性极化能力。

天线增益的测量结果也与仿真预测相符。

研究结论与意义

本研究成功设计、优化并实验验证了一种适用于微波成像的新型双线性极化腔体背衬正弦天线（FACBSA）。其核心贡献在于提出了创新的馈电点修改方法，将所有四臂置于基板同侧，并与指数渐变微带巴伦无缝集成，改善了天线的回波损耗、辐射方向图和增益。同时，采用的圆形曲线锐边修改有效提升了低频性能。最终的天线原型在2-5 GHz超宽带范围内展现出良好的阻抗匹配、高端口隔离度、稳定的单向辐射方向图，并实验证实了其双线性极化能力。

这项研究的意义在于，它为微波成像、远程传感（如长形金属目标探测）、探地雷达等需要超宽带、双极化信息采集和单向辐射的应用场景，提供了一种高性能、易于制造的天线解决方案。通过解决馈电和结构优化等关键设计挑战，该天线设计推动了正弦天线在实际系统中的应用，为提升成像系统的性能和功能奠定了基础。