發射機信號泄露嚴重制約連續波雷達探測性能的提高。微帶天線廣泛應用于微小型連續波雷達，其收發天線隔離性能是制約微小型連續波雷達探測能力的關鍵。本文分析了連續波雷達系統中發射機信號泄露抑制技術，包括收發通道對消、信號處理以及天線隔離技術，指出目前微帶天線收發隔離主要采用空間隔離技術來實現，包括空間波隔離和表面波隔離兩類。并對空間波隔離和表面波隔離技術的原理、特點和應用進行了詳細分析。最后指出，當前增加收發隔離的主要目標是提高靈敏度，并結合目前的研究狀況展望了未來增大收發天線隔離度的研究方向。

微小型連續波雷達具有體積小、質量輕、功能強、成本低、全天候、4D 高分辨、探測性能穩定、環境適應性好等優點 ，具有廣泛的軍事和民用前景，是當前研究熱點。微帶天線具有尺寸小、結構形式自由、剖面低、便于集成加工且成本低等一系列優點，因此微小型連續波雷達射頻收發一般采用微帶雙天線實現。受體積和空間限制，微小型連續波雷達微帶收發天線之間存在間距較小、隔離度不高、發射信號容易泄露到接收機的問題。

微帶收發天線作為微小型連續波雷達的重要部分，收發天線間的耦合是影響雷達系統性能的重要因素，直接決定了微小型連續波雷達的探測性能。當隔離度較小時，泄露信號不僅會淹沒微弱的目標回波，降低接收機靈敏度，還會影響成像效果、差分形變測量效果，甚至造成接收機飽和失效。因此，如何提高微帶收發天線間隔離度是今后研究的重點方向。

對于連續波雷達，發射機信號泄漏的抑制方法主要有隔離技術、信號對消技術和信號處理技術 。本文對上述三種技術的原理、特點和應用情況進行了分析，指出微小型連續波雷達主要采用收發天線空間隔離技術實現，并對其常用的微帶天線收發空間隔離技術進行了詳細闡述，包括微帶天線收發空間隔離原理，以及微帶天線空間隔離技術（空間波抑制法、表面波抑制法和綜合抑制法）的實現途徑和優缺點。除此之外，還對增大收發天線隔離度方法的發展方向進行了展望，值得科研人員進一步深入研究。

1 雷達系統泄露信號抑制技術

目前，解決雷達系統中收發隔離問題，主要有三種技術： 信號對消技術、信號處理技術和隔離技術。

信號對消技術即是構造一個與泄漏信號幅度和頻率相同但相位相差 180°的對消信號，使之與泄漏信號進行合成處理，消除泄漏信號。

信號對消分為射頻對消和中頻對消。射頻對消即另取一條支路，以耦合信號為基礎，通過器件來調幅調相，使泄漏信號在進入 LNA 前，將泄漏信號抵消掉。射頻對消的缺點是： 在引入對消信號時會夾帶一些噪聲，降低接收機靈敏度，因此不能達到理想效果; 中頻對消是先讓含有泄漏信號的接收信號經過接收機變頻到中頻，再去饋送一部分發射信號，也經過變頻到相同中頻，在中頻處形成對消信號，實現中頻對消。中頻對消技術操作簡單、成本低，能夠避免噪聲的引入。但缺點是無法防止強泄漏信號造成接收前端飽和，而且其實用靈活性較低，需要在已完成設計的接收機基礎上才能實現。

信號處理技術是對所接收到的信號進行濾波處理，以便提取有效信息。但信號處理技術計算量大，并且過程復雜，因此在處理過程當中不僅需要較長的時間，占用很大的空間資源，而且還需要優化算法，所以此技術難以滿足需求。

隔離技術包括時間隔離、頻率隔離、極化隔離、空間隔離。

時間隔離表示接收機與發射機有一個工作時間差，交替工作在不同的時間段內。該技術主要應用于收發分時工作的脈沖雷達，不能應用于連續波雷達;

頻率隔離表示在接收機的前端放置選頻元件，使用不同頻率的 向上發射頻率和對地發射頻率來達到隔離的效果，其頻率差可達到上百 MHz 。 主要應用于發射和接收采用不同頻率的大功率衛星通信站，但是連續波雷達收發信號的頻率基本相同，很難將此技術應用于連續波雷達當中;

極化隔離表示使用垂直或者水平極化的發射和接收天線，使收發天線之間的極化相反，讓微波間不存在串擾現象。但并沒有起到很好的隔離效果，因為在實際應用中，天線本身就存在一定的交叉極化，因此在連續波雷達當中很少使用此技術;

空間隔離表示通過拓寬收發天線之間的距離或者加載一些抑制泄露信號傳播的結構來有效提高隔離度。此技術的主要原理是通過改善天線收發耦合強度，來減少空間波和表面波的傳播，主要分為空間波抑制法和表面波抑制法。此技術能很好地減少發射天線到接收天線的信號泄露，因此連續波雷達常用空間隔離技術來提高收發隔離度。

綜上所述，減少信號泄露是提高連續波雷達性能的關鍵，提高微帶天線隔離度主要通過空間隔離技術來實現。

2 基于微帶天線收發空間隔離的原理

天線隔離度定義為： 接收天線接收到的來自發射天線耦合進入的功率與發射天線輻射功率的比值，即：

式中： L 為天線的隔離度，單位 dB; P T 為發射天線向外輻射功率; P Ｒ 為輻射信號不經過目標反射而直接進入接收天線的功率。

收發天線間的耦合由兩部分組成： 表面波和空間波。其中，由微帶收發天線副瓣產生經空間直線傳播的電磁波，稱之為空間波 。空間波的耦合強度方程式為：

式中： G 2 為自由空間波增益; Ｒ‘為收發天線間的距離。

微帶天線的介質板引導了電磁波在介質板表面的傳播，發射天線的電磁波在介質表面傳播時會對接收天線產生影響，這部分波被定義為表面波。表面波的耦合強度方程式為：

式中： G 1 為表面波增益。

當介質基片比較薄，收發天線的距離較近時，表面波和空間波都會在較大程度上影響收發天線間隔離度。從式（2）和（3）可看出，空間波隨著收發天線間距的縮減，增長速度要比表面波增加得快。

從式（2）和（3）可知，表面波耦合和空間波耦合相等時存在一個臨界點，臨界點的位置為 ：

即當收發天線間距離小于 Ｒ’時，自由空間波耦合占主要地位，當收發天線之間的距離大于 Ｒ‘時，表面波耦合起主要作用。

除此之外，隨著收發天線間距離變小，天線方向圖主瓣寬度會變寬，會使能量發散，因此在設計收發天線時，應盡可能增大收發天線間距。但是為了盡可能減小雷達系統的體積，收發天線的距離不能太遠，所以收發天線的距離應該控制在有限的范圍內來提高收發天線的隔離度。在空間隔離方面提高雷達系統的收發隔離度，需要抑制天線間空間波和表面波的傳播。

3 基于微帶天線的空間波抑制法

微帶天線空間波抑制法是通過減少發射天線副瓣產生經由空間直線傳播到接收天線的電磁波，來提高收發天線隔離度。在連續波雷達微帶天線中，對于天線間的空間波抑制法主要包括增加收發天線間距和加載隔離板等方法。

3. 1 增大收發天線間距

由上述分析可知，收發天線間距的改變對空間波的影響要遠大于對表面波的影響。

收發天線遠場區隔離度計算公式為 ：

由式（5）可知，在遠場區，收發天線間距每增大一倍，天線隔離度可提高 6 dB，但是，收發天線間距遠不滿足遠場區的條件，因此當收發天線間距增大一倍時，隔離度的提高要大于 6 dB。由此可知，隔離度與收發天線間距成正比，但是過大的天線間距會造成天線結構整體偏大，不利于系統的小型化設計，限制了連續波雷達在一些較小設備上的應用。

3. 2 加載隔離板

加載隔離板是另一種主要的空間波抑制法，通過一定高度的隔離板來阻斷電磁波在空間上的傳播。隔離板一般采用較輕的鋁板。文獻采用加載隔離板的方法來減少收發天線間的耦合，設定隔離板的厚度為 2 mm，高度為 30 mm，天線間距為16 mm，經仿真測試隔離度提高了 18 dB。設定不同高度的隔離板，結果如圖 1 所示，隔離板高度越高效果越明顯，但高度達到一定程度時，隔離效果明顯減弱，因此表明隔離板也只能在一定程度上對隔離度有所改善。

圖 1 隔離板高度對收發天線隔離度影響

加載隔離板也會帶來一些問題。首先，過高的隔離板會惡化天線方向圖; 其次，表面波還會通過金屬隔離板進行傳播，從而影響隔離效果; 此外，隔離板的存在會增大系統的整體尺寸，難以達到設備小型化的要求。因此在多數情況下并不使用此方法。

4 基于微帶天線的表面波抑制法

微帶天線表面波抑制法是通過減少發射天線電磁波在介質表面的傳播對接收天線產生的影響。在連續波雷達微帶天線中，對于天線間的表面波抑制法主要包括減少天線罩對表面波的激勵、開設扼流槽、鋪設 吸 波 材 料、蝕 刻 缺 陷 地 結 構、加 載 EBG（Electromagnetic Band－Gap）結構等方法。

4. 1 減小天線罩對表面波激勵

為保證天線正常工作，需要加裝天線罩來保護天線。但常用的天線罩材料都具有較高的介電常數，容易激起表面波。微帶天線收發分離并同時工作，若覆蓋天線罩進行保護，將其固定在天線的表面，則激起的表面波將通過天線罩到達接收天線端，造成收發天線間耦合增大，影響接收性能。

天線罩的介電常數越大，那么激起的表面波就會越多，隨之收發天線間隔離度就會下降。天線罩厚度和介電常數是表面波敏感參數，因此可通過改變這兩個參數來減少表面波。當天線罩的厚度確定后，可選擇適當的介電常數材料，盡量減少激發的表面波。文獻中通過調整敏感參數，減少了收發天線間的耦合，使隔離度達到了 75 dB 以上，達到了抑制表面波，減小收發天線耦合的目的。

4. 2 開設扼流槽

扼流槽是一種可以阻止特定頻率微波電流傳輸的結構，它的結構形式為在金屬表面開一個深度約為中心頻率 1/4 波長 ，寬度適中的空氣槽，當表面波電流流經扼流槽時，電流被阻止通過，從而提高收發天線間的隔離度。金屬扼流槽通過合理的設計其尺寸能夠在槽的頂面產生高阻表面的效果來抑制表面波，而且扼流槽屬于平面結構，體積小、質量輕，因此常被用于改善天線間的隔離度，結構如圖 2 所示。

圖 2 扼流槽結構示意圖

文獻在仿真軟件中驗證扼流槽效果模型，通過不斷優化扼流槽結構的深度和寬度，使其達到最優效果，隔離度提高了約 13 dB。文獻中陳薇根據扼流槽的特性，在收發天線間加入扼流槽來破壞表面波的傳播。收發天線間的距離為16 mm，通過不斷改變扼流槽的深度 h 和寬度 g 使其達到最好的效果，收發天線間隔離度最多可提高 10 dB。

增加扼流槽個數，并將扼流槽設置成不同的深度，使其呈階梯狀變化，結構如圖 3 所示。在收發天線間加入多個扼流槽，可極大改善收發天線間耦合問題，隔離度可提高約 20 dB。

圖 3 階梯狀扼流槽示意圖

在微帶收發天線間開設扼流槽，不需添加其他立體結構，只需要在金屬表面開空氣槽即可，這樣即不增加天線的體積，又可減少設備的整體質量。但扼流槽在實際加工時，深度較深，而且階梯狀扼流槽深度有多個尺寸，加工時對設備選擇、工藝流程和操作水平均有較高的要求，給加工帶來了許多困難，所以在收發天線間加載扼流槽不易加工制作。

4. 3 鋪設吸波材料

吸波材料指能吸收或者大幅減弱投射到它表面的電磁波能量，從而減少電磁波干擾的一類材料。當天線安裝在金屬框架內時，天線收發的微波能量一部分與框架產生的感應生成表面波電流，惡化了收發天線的隔離; 一部分通過金屬表面的反射形成多徑反射，惡化了天線方向圖。在金屬框架表面安裝微波吸波材料可以有效減少金屬表面的表面波電流與金屬表面反射形成的多徑反射，改善天線的隔離度與方向圖。

文獻中通過鋪設吸波材料，減少了收發天線間表面波在介質基板上的直接傳播，隔離效果非常明顯，使收發天線間隔離度提高了 15 dB。文獻通過建立吸波材料驗證模型，在軟件中仿真計算，鋪設吸波材料不僅可以提高收發天線間隔離度，同時對天線方向圖也有所改善。

在金屬裝置表面鋪設吸波材料，能夠吸收其表面的電磁波能量，它在一定的頻帶內對電磁波具有較高的吸收率，同時滿足溫度、濕度、腐蝕等環境條件要求，具有成本低、安裝方便等一些優點。但是，為了較好地改善收發天線間隔離度，會在天線周圍鋪設較厚的吸波材料，這在一定程度上增大了系統的整體體積。

4. 4 蝕刻缺陷地結構

缺陷地結構（DGS）是在微帶線的接地金屬板上刻蝕周期或者非周期的柵格結構，改變傳輸線的分布電感和電容，獲得帶阻特性和慢波特性等。典型的 DGS 形狀有啞鈴型、螺旋形等，啞鈴型 DGS結構示意圖如圖 4 所示。

圖 4 啞鈴型 DGS 結構示意圖

缺陷地結構由金屬接地板上縫隙結構組成。它的工作原理是縫隙結構的引入影響微帶傳輸線等效電路中電容分布和電感分布，從而改變介質基板分布的介電常數，主要具有高阻抗特性、帶阻濾波特性和慢波特性。將 DGS 結構應用于天線單元或天線陣列中能抑制天線單元高次模，提高天線單元交叉極化性能，抑制天線單元間耦合等。

缺陷地結構相較于其他類型具有帶阻濾波特性的電磁結構，其最大優勢是非周期性缺陷地結構同樣具有某個頻段內帶阻濾波特性。缺陷地結構提高了介質的有效介電常數，同時改變了貼片表面電流的分布。但缺陷地結構尺寸越大，介質介電常數的提高就越大，同時對分布參數的影響也越大，缺陷結構還會導致天線輻射方向圖的改變和輻射效率的降低。

4. 5 加載 EBG 結構

對于微帶天線間隔離度的改善，有多種結構能夠有效降低微帶天線間的耦合，例如人工導向介質（SＲＲ） 結構去耦、ＲAMC 結構去耦和電磁帶隙（EBG） 結構去耦。這些結構去耦的原理相似，均是在天線介質中加入這些結構，它們能夠阻礙表面波的傳播，達到去耦的目的，從而增大天線間的隔離度。SＲＲ 結構能夠產生電諧振，諧振能夠抑制某些頻段的電磁波，從而阻礙表面波的傳播; 非周期的 ＲAMC 結構，是一種新型球面投影人工平面材料，類似于一個圓柱形金屬反射器可聚焦電磁波，通過降低天線間交叉極化，來改善收發天線間隔離度。周期性的 EBG 結構在某一頻段范圍內會產生一定的帶阻或帶通作用，能有效抑制表面波的傳播，在連續波微帶天線中多用此方法來增加天線間隔離度，下面主要以 EBG 結構做主要介紹。

EBG 結構是指對特定頻段內的電磁波產生阻帶特性的一種周期結構。在其帶隙內能夠有效抑制介質基板中表面波的傳播，因此可被用來降低微帶天線間的互耦。

電磁帶隙結構主要分為： 介質打孔型、地面蝕刻型、高阻抗電磁表面型和共面緊湊型。介質打孔型和地面蝕刻型都需要破壞介質基板，制作困難，不易加工，制作成本較高，且不易于與微波電路集成 ，共面緊湊型 EBG 單元的結構在設計時形狀復雜，而且其帶隙特性也沒有高阻抗表面好。為了設計的需求，現在多采用在金屬導帶和金屬接地板上形成周期性 EBG 結構 。

經過多年的研究，EBG 結構日漸成熟，結構形式多樣。其中以蘑菇型 EBG 結構（如圖 5 所示，圖6 為蘑菇型 EBG 結構的等效模型和傳輸線模型）的研究最為成熟，且具有帶寬較寬的優點，因此常用蘑菇型 EBG 結構來改善天線間的隔離。Yang等將蘑菇型 EBG 結構應用于天線陣列當中，由于 EBG 結構的存在，大大改善了陣元間的耦合，隔離度提高了 8 dB 左右。文獻用蘑菇型 EBG 單元結構放置在基片集成波導陣列天線間距之間，隔離度有了較大的提高，約為55 dB。Manh 等通過在兩個微帶天線陣列之間水平插入 EBG 結構來增加兩者間的收發隔離度，提高了約 35 dB。

圖 5 蘑菇型 EBG 結構

圖 6 等效電路模型和傳輸線模型

在收發天線間加載 EBG 結構，這種方法具有設計簡單、結構緊湊、厚度薄、易于在同一基板上與其他器件合成等優點，此外 EBG 結構的二維帶隙特性可以抑制一個平面內任意方向傳播的表面波。但是水平排列 EBG 單元的方式對于一些收發陣列間隔很小卻又需要較高隔離度的雷達系統來說是不適合的，因為陣列間沒有足夠多的間距來加載足夠多列的 EBG 單元。

5 基于微帶天線的空間波和表面波綜合抑制法

微帶天線空間波和表面波綜合抑制法是通過同時減少發射天線經由空間直線傳播到接收天線的電磁波和減少發射天線電磁波在介質表面的傳播對接收天線產生的影響。在連續波雷達微帶天線中，對于天線間的空間波和表面波抑制法主要包括加載EBG 墻結構和缺陷墻結構。

5. 1 加載 EBG 墻結構

水平加載 EBG 結構可有效抑制天線間的耦合，但是水平排列 EBG 單元的方式對于一些收發間隔很小卻又需要較高隔離度的雷達系統來說不合適，因為陣列間沒有足夠的間距來加載足夠多列的 EBG 單元。為在上述限制下達到好的收發隔離效果，文獻中提出了可通過在兩天線間豎直排列多列 EBG單元構造出兩個 EBG 墻結構（如圖 7 所示）。這樣豎直加載的方式同樣能夠利用 EBG 結構的帶隙特性來抑制兩天線間的空間波和表面波傳播，使兩天線間隔離度增大了至少 20 dB，這顯示出 EBG 墻結構高效的隔離性能。

圖 7 加載 EBG 墻的貼片天線

5. 2 加載缺陷墻結構

缺陷墻結構與 EBG 墻結構類似，利用其帶隙特性可以有效地抑制表面波和空間波的傳播，應用于收發天線較窄的微帶天線中。文獻提出了將缺陷墻結構印刷在介質基板上（如圖 8 所示）來提高收發天線間隔離度。從結果中得到，天線間的隔離度最大提高了 18 dB 左右。

圖 8 缺陷墻結構

盡管加載 EBG 墻結構和缺陷墻結構適用于天線間距較窄的情況，并且有較好的隔離效果，對于現實應用有較大的參考意義，但是在實際應用中，考慮到設備的小型化和易于安裝等要求，一般不使用加載 EBG 墻結構的方法。

6 微小型連續波雷達微帶收發天線隔離技術展望

經過多年的深入探討與研究，微小型連續波雷達廣泛應用于各個領域，其技術經驗也逐漸豐富。但信號泄露問題一直是微小型連續波雷達的一個缺點，在解決這個問題上，多采用增加微帶收發天線隔離度來進行改善，使雷達系統在動態范圍內能夠正常工作。縱觀國內外對連續波雷達泄露信號抑制技術的研究情況，前端飽和問題可以忽略不計。因此，在現階段多是解決泄露信號導致的接收機靈敏度下降問題。在未來的發展中，增加收發天線隔離度技術必將是一個熱門方向。可采用綜合技術來汲取各個技術的優點，如： 鋪設吸波材料 + 蝕刻較小尺寸缺陷地結構，這樣減少了因鋪設吸波材料而造成系統整體質量增大的問題，也減少了大尺寸缺陷地結構對分布參數較大的影響，同時在最大程度上改善收發天線間隔離度問題，減少信號泄露，提高接收機的靈敏度，盡可能使泄露的信號低于靈敏度而不被檢測到，以此來提高雷達系統的整體性能。

7 結束語

微小型連續波雷達具有體積小、功能強、全天候、高分辨等優點，應用前景廣泛，是當前的研究熱點。抑制發射機泄露信號是提高連續波雷達探測性能的關鍵。主要采用收發天線空間隔離技術實現。對于微小型連續波雷達普遍采用的微帶天線，其難點是體積和空間有限、收發天線之間間距較小、隔離墻難以設置等。為此，本文按傳播路徑，將微帶收發天線信號隔離方法分為空間波隔離、表面波隔離和綜合隔離技術，并對其原理、應用和優缺點進行了分析和評述，對未來的發展進行了展望。受空間和結構限制，對于微小型連續波雷達微帶收發天線，要實現較高的收發天線隔離度，僅僅采用單一的技術較為困難，應針對具體應用，綜合采用多種技術，進行詳細設計。

作者：韓壯志 ，吳玉柱 ，梁夢濤 ，馬月紅 ，李小民