超寬帶探地雷達(dá)天線的研究與設(shè)計初探

摘 要：近年來，探地雷達(dá)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，已經(jīng)成為被地球物理學(xué)界和考古學(xué)界所廣泛應(yīng)用的一項探測技術(shù)，它通過向地下發(fā)射高頻電磁波來產(chǎn)生覆蓋率較大的頻譜，接受地下信息。同時根據(jù)電磁波反射回來的波形變化與時長，對地下媒質(zhì)構(gòu)造、地下目標(biāo)等進行探測、定位和識別。超寬帶探地雷達(dá)在進行探測之時，能夠獲得較高的時空分辨率，成為目前透視成像探測技術(shù)的一大熱點。本文主要針對超寬帶探地雷達(dá)中的三種天線進行研究與設(shè)計的討論。

關(guān)鍵詞：超寬帶探地雷達(dá)；接收天線；研究設(shè)計

探地雷達(dá)是一種對地下結(jié)構(gòu)進行探測的工具，以無損探測的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于考古、地球物理研究、道路與橋梁的質(zhì)量評估等方面。超寬帶探地雷達(dá)結(jié)合了探地雷達(dá)與超寬帶雷達(dá)的各種優(yōu)勢，在地質(zhì)、橋梁等探測中起到了重要作用。超寬帶探地雷達(dá)中，收發(fā)天線是接收和發(fā)射電磁波的重要媒介，能夠通過對接收到的電磁波進行分析與處理，來探測地下環(huán)境，所以在超寬帶探地雷達(dá)中，收發(fā)天線的重要性不言而喻[1]。

1 超寬帶探地雷達(dá)天線的理論基礎(chǔ)

探地雷達(dá)同其他類型雷達(dá)相同，都是由發(fā)射模塊、收發(fā)天線、接收模塊、主控制、顯示模塊等因素構(gòu)成的。探地雷達(dá)通過天線系統(tǒng)向被探測地輻射電磁波，當(dāng)電磁波與不連續(xù)的介質(zhì)相撞的時候會發(fā)生反射，則電磁波信號會隨著遭遇介質(zhì)的不同產(chǎn)生不同的波形變化。通過接收處理電磁波信息，以透視成像的形式來還原地下介質(zhì)情況，結(jié)合反射電磁波的時長，分析地下探測目標(biāo)的大概位置與大概形態(tài)。

在超寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)中，接收天線是通過將接收到的自由空間波轉(zhuǎn)化為高頻電磁波，通過雷達(dá)系統(tǒng)進行分析與處理。而與之相反的是，發(fā)射天線是通過對高頻電磁波進行自由空間波的轉(zhuǎn)換來進行發(fā)射的。在雷達(dá)系統(tǒng)中，天線能夠以在輻射狀態(tài)下的任意頻率上輸入阻抗Za（jω）和復(fù)歸一化方向圖D（jω，θ，φ）來進行描述[2]。

2 超寬帶探地雷達(dá)天線的研究與設(shè)計

超寬帶天線的功能是發(fā)射并接收超寬帶無線電波，是任何超寬帶雷達(dá)或通訊系統(tǒng)都不可或缺的部分。目前，在探測工程的應(yīng)用中，常用的天線類型有V型天線、螺旋天線、偶極子天線等。以下將對偶極子定向天線、領(lǐng)結(jié)偶極子天線和阿基米德螺旋天線的設(shè)計進行研究與討論。

2.1 偶極子定向天線設(shè)計

定向天線需要滿足在S11<5dB時的帶寬大于70180MHz，要求大于10的波形峰壓與拖尾幅度比值，和不低于3dB的主瓣增益，前后比要大于4，后向增益相較于前向增益要小于19dB。

對于偶極子定向天線的設(shè)計，我們首先采用Wuking的電阻加載方式，通過CST電磁仿真軟件建立模型并進行仿真模擬，從而縮小天線尺寸。同時以玻璃鋼作為加載介質(zhì)進行包裹，以保證天線的強度和承壓能力[3]。

偶極子天線是由兩側(cè)對稱的金屬銅柱構(gòu)成的，在每個銅柱中分為八段小銅柱，將離饋電點較近的一節(jié)進行處理成錐形，以增加天線的帶寬，每一小節(jié)之間進行電阻加載，并以PVC材料進行包裹，起到固定作用。

偶極子定向天線的激勵信號一般使用一階高斯脈沖微分信號，其表達(dá)式為：

U（t）=（t-10）e-03（t10）2

天線在不加電阻時，其輻射波形拖尾幅度較大，持續(xù)時間較長。而在天線加載電阻時，天線的拖尾幅度與持續(xù)時間會得到很好的控制。

2.2 領(lǐng)結(jié)偶極子天線優(yōu)化設(shè)計

作為探地雷達(dá)的關(guān)鍵系統(tǒng)，收發(fā)天線必須具備較寬的頻帶寬度、較為平坦的天線增益和較小的帶寬內(nèi)天線輸入阻抗變化，以此來完成對寬頻帶的信號進行完全接收。

領(lǐng)結(jié)偶極子天線在常規(guī)探地雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用較多，與常規(guī)偶極子天線相比，領(lǐng)結(jié)偶極子天線在頻帶寬度、輻射效率方面具有較大優(yōu)勢。

我們對領(lǐng)結(jié)偶極子天線進行符合加載和優(yōu)化，設(shè)計了一種小型的領(lǐng)結(jié)偶極子天線。通過數(shù)據(jù)模擬，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計后的領(lǐng)結(jié)偶極子天線較之優(yōu)化設(shè)計前的領(lǐng)結(jié)偶極子天線有更寬的頻帶寬度。優(yōu)化后的領(lǐng)結(jié)偶極子天線的帶寬在原基礎(chǔ)上增加了37%，天線本身的寬度卻縮小了二分之一。

優(yōu)化設(shè)計的領(lǐng)結(jié)偶極子天線采用弧形過渡設(shè)計，其長度主要是依據(jù)天線最低點應(yīng)用頻率進行設(shè)計。對于天線來說，振子越長則其低頻性能越好。領(lǐng)結(jié)天線的設(shè)計長度為：

L=λ[]41-9782[]ZC（λ：天線低頻段波長，Zc：天線的特性阻抗，

Zc=120lnctgθ[]4）[4]。

2.3 阿基米德螺旋天線設(shè)計

阿基米德螺旋天線一般包括輻射器、寬帶匹配巴倫和反射腔。在輻射器的設(shè)計中，參數(shù)a的計算公式為τ（r）=e-2πar2，在設(shè)計時，取主輻射邊界處τ=0.4，使能量在通過主輻射區(qū)時衰減度小于16dB。

阿基米德螺線天線的外徑和內(nèi)徑分別影響了天線的低頻性能和工作頻率。即C=2πρ2≥1.25λmax。

通過數(shù)據(jù)模擬，選擇介電常數(shù)ρ1=10mm，并將天線的螺旋線設(shè)置在20圈以上，以此提高天線帶寬性能。

依據(jù)天線設(shè)計所要求的帶寬，采用指數(shù)漸變線阻抗變換器，并通過微帶巴倫來實現(xiàn)不平衡與平衡之間的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)以上設(shè)計方案，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與模擬計算，我們將阿基米德螺旋天線的內(nèi)徑設(shè)定在10mm，外徑設(shè)定在50mm，螺旋線的圈數(shù)設(shè)定在25圈，即可達(dá)到1.2GHz的中心頻率，和08GHz—2.5GHz的頻率范圍。

3 結(jié)語

持續(xù)發(fā)展的科學(xué)技術(shù)、不斷提高的生活水平和不斷增長的人口數(shù)量，決定了當(dāng)今社會對于能源、礦產(chǎn)資源的需求量大幅提高。本文討論了偶極子定向天線、領(lǐng)結(jié)偶極子天線和阿基米德螺旋天線三種天線的設(shè)計與研究，并希望通過對超寬帶探地雷達(dá)天線的設(shè)計，優(yōu)化頻帶寬度，增強輻射效率，為超寬帶探地雷達(dá)在能源探測、通訊領(lǐng)域、礦產(chǎn)資源勘探等方面的應(yīng)用起到幫助。

參考文獻：

[1]李雪萍，紀(jì)奕才，盧偉，方廣有.超寬帶低背腔車載探地雷達(dá)收發(fā)天線的研究[J].電子學(xué)報，2014，08：15771581.

[2]竇浩容.超寬帶探地雷達(dá)設(shè)計[D].西安工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]張建偉.超寬帶探地雷達(dá)天線的研究與設(shè)計[D].電子科技大學(xué)，2016.

[4]彭宇，王蕾，郭福強，胡通海.一種超寬帶小型化探地雷達(dá)天線的設(shè)計[J].物探與化探，2014，04：750753.

作者簡介：許小玲（1981），女，江蘇徐州人，畢業(yè)于四川大學(xué)，碩士，中級工程師，研究方向：天線設(shè)計。