1.1 目的及意义

作为目前发生频率最高、破坏力最强的重大灾害之一，火灾的发生严重威胁着公众的安全和社会的发展。火灾起火阶段底层燃烧不易发现；轰燃阶段烟雾大、火点定位难；火灾后期或明火扑灭后的阴燃探测难等都给火灾的准确、及时扑灭带来困难。因此，如何实现及时高效的火灾探测一直以来是社会研究热点。现有红外、可见光等探测手段都有其缺点和局限性：使用可见光探测手段，受夜间和浓雾等天气因素的影响较大，且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。

因此，针对现有火灾探测手段的问题和利用火场复杂环境中微波雷达探测具有散射效应强的优势、被动毫米波成像原理，提出一种基于火灾微波辐射的新型火灾探测方法。而本设计在了解被动毫米波探测成像技术的基础上，重点研究用于火灾探测仪的高分辨率、高集成的馈电天线及其阵列技术，完成其仿真设计。

1.2 被动毫米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，而被动毫米波成像技术就是利用毫米波辐射计接收自然界各种物体的毫米波辐射能量以研究它们的质地、形状、方位等性质，从而进行目标物体的探测和分析[1]。

国外对于被动毫米波探测成像技术的研究始于上世纪三四十年代，在1946年，美国麻省理工大学迪克（Rob#8259;ert Dicke）制造出了世界上真正意义上的比较式辐射计[2]，由此开启了被动微波遥感这个重要研究领域。在 1971 年，Farhat博士研制成功了基于毫米波主动成像系统探测危险品的项目[3]，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。因为毫米波技术对于实现隐私性、稳定性与安全性都有极佳效果，因此它属于当前安检领域的首选方案[4]。此外其在探矿和环境监测等民用领域，以及军事目标识别和侦察等方面也有重要应用。

在国内，由于相关的研究起步较晚，毫米波成像系统的发展落后于国外水平。2013年，首都师范大学和北京理工大学共同研究了基于多面体镜的毫米波探测实验系统。该系统只含有一个馈源通道，利用多面体镜的水平旋转和垂直摆动分别实现列扫描和行扫描，从而得到一帧完整的图像[5]；2017年，东南大学对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进行了研究与实现[6]。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，我国的毫米波成像技术还有较大的发展空间。

1.3 馈电天线及其阵列技术的研究现状

馈源天线作为整个成像系统的前端，直接影响被动成像的测量能力和成像结果。高质量的毫米波成像要求波束窄、增益高、副瓣低的初级馈源[7]。早期在成像系统中使用最常见的是喇叭馈源，然而其能达到的高性能是受限的。因此，自20世纪40年代以来，具有口面场分布易于控制、口径效率高、性能稳定、结构简单紧凑和安装简洁等优点的缝隙阵列天线逐渐受到研究人员的关注[8]。在1979 年Gibson提出的 Vivaldi 天线，这是最早的的渐变缝隙天线。Ramakrishn等人[9]在1987 年通过理论分析提出了渐变缝隙天线可以广泛应用的设计方法。以上这些研究都表明了TSA 由于其平面特性，可以很好地集成在单片微波集成电路（MMIC）中。

近年来，缝隙天线天线正朝着小型化、低副瓣、低成本、高增益、易于集成的方向发展[10]。传统的波导缝隙天线体积较大，不易集成，因此，2013年，Ke等人等人[11]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，不仅可以获得较宽的工作带宽，且其加工工艺基于标准的印刷电路板技术，也使得天线的造价得到很大的降低。如今，基片集成波导技术日益成熟。2015年，Hosseininejad 等人设计了一款底部通过基片集成波导开斜缝进行馈电，该馈电方式极大的改善了某些通过微帯馈电对副瓣和交叉极化的影响 [12]。2017 年东南大学Rui Cai 等人设计了一款 8*12 缝的车载连续波SIW 缝隙天线，该天线采用端馈 T 型功分网络，该天线的E 面和 H 面的副瓣均低于-20dB[13]。

除了使用基片波导技术，2015年，文献[14]提出了一种具有正弦波纹的60GHz对极费米锥形缝隙天线( AFTSA )，加载有菱形槽的椭圆形电介质被用来改善天线特性。改进的天线提供了20dB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年提出了一种利用基于超材料(MTM )轮廓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14dB[15]。超材料的应用为未来提高天线增益提供了一个新的方向。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究目标

本次毕业设计将就被动毫米波探测成像的背景意义、基本原理及馈电天线阵列技术展开研究。本文将通过设计天线结构模型和仿真数据结果分析，使所仿真的天线具有宽工作频带、低副瓣电平、高增益和窄波束宽度的优异性能，满足其易于加工、尺寸小、便于与射频收发前端实现平面集成的要求，使其适用于基于被动毫米波辐射探测成像的火灾探测仪系统。

2.2 研究基本内容

(1).研究渐变缝隙天线的基本原理，在CST软件中绘制新型的渐变缝隙天线结构方案，仿真观察其性能，与传统的渐变缝隙天线结构进行对比；