帶反射腔的分布式電阻加載探地雷達(dá)天線(xiàn)設(shè)計(jì)與分析

吳秉橫　紀(jì)奕才　方廣有

①（上海海事大學(xué) 上海 200135）

②（中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190）

帶反射腔的分布式電阻加載探地雷達(dá)天線(xiàn)設(shè)計(jì)與分析

吳秉橫*①②紀(jì)奕才②方廣有②

①（上海海事大學(xué) 上海 200135）

②（中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190）

該文研究了一種半橢圓結(jié)構(gòu)分布式加載偶極子天線(xiàn)。通過(guò)改進(jìn)天線(xiàn)臂結(jié)構(gòu)以及采用分布式電阻加載，有效降低電流在天線(xiàn)末端的反射，能夠改進(jìn)天線(xiàn)的輸入阻抗特性，展寬天線(xiàn)的工作頻帶。應(yīng)用長(zhǎng)方體金屬反射腔，減小了天線(xiàn)的后向輻射，增強(qiáng)了天線(xiàn)的地下穿透能力。利用電磁計(jì)算軟件對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行了仿真和設(shè)計(jì)，并加工制作了一部樣機(jī)，測(cè)試了樣機(jī)的反射損耗和輻射特性等性能參數(shù)，測(cè)試與仿真結(jié)果較為貼合。將該天線(xiàn)應(yīng)用于探地雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行地下目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該天線(xiàn)滿(mǎn)足探地雷達(dá)系統(tǒng)的需要。

探地雷達(dá)；超寬帶天線(xiàn)；分布電阻加載；輻射特性

1　引言

采用無(wú)載波脈沖作為發(fā)射信號(hào)的探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）具有可實(shí)現(xiàn)非破壞性探測(cè)的特點(diǎn)，目前已受到國(guó)內(nèi)外交通、勘探等領(lǐng)域研究單位的關(guān)注。隨著近幾年的長(zhǎng)足發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于深層和淺層地下目標(biāo)的探測(cè)［1］，主要的應(yīng)用鄰域包括橋梁、公路、隧道以及礦井的無(wú)損探測(cè)、地質(zhì)勘探和研究以及地下管道等各種非金屬和金屬目標(biāo)的探測(cè)、定位、成像等。

作為探地雷達(dá)系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的一個(gè)組成部分，天線(xiàn)的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)能力［2］?；跓o(wú)載波脈沖體制的探地雷達(dá)系統(tǒng)要求天線(xiàn)除了具有良好的對(duì)地輻射性能以外，還應(yīng)具有良好的信號(hào)保形性，即要求天線(xiàn)具有極大的瞬時(shí)帶寬。目前可以滿(mǎn)足探地雷達(dá)使用要求的主要包括蝶形天線(xiàn)［3-6］，TEM喇叭天線(xiàn)及其變形［7-10］以及螺旋天線(xiàn)［11］等幾類(lèi)超寬帶天線(xiàn)。其中，蝶形天線(xiàn)通常采用平面的結(jié)構(gòu)，制作方法相對(duì)簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用更為廣泛。但是目前普遍應(yīng)用的末端加載蝶形天線(xiàn)由于加載點(diǎn)僅在天線(xiàn)末端，并不能完全吸收天線(xiàn)的末端電流，從而造成輻射信號(hào)中有一些微小的振蕩，這些振蕩會(huì)干擾一些較弱的地下目標(biāo)回波信號(hào)，影響系統(tǒng)的工作性能。

對(duì)于超寬帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的研究，除去蝶形結(jié)構(gòu)，一些諸如圓形、紡錘形、樹(shù)葉形、平面螺旋等結(jié)構(gòu)的偶極子天線(xiàn)［12-15］也被廣泛研究。本文提出了一種帶反射腔的半橢圓結(jié)構(gòu)分布式電阻加載偶極子天線(xiàn)，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)蝶形天線(xiàn)的天線(xiàn)臂結(jié)構(gòu)以及采用分布電阻加載，有效地減小了天線(xiàn)末端電流的反射，天線(xiàn)的輸入阻抗特性得到進(jìn)一步改善，具備優(yōu)異的工作帶寬。

2　帶反射腔的分布電阻加載天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

基于無(wú)載波脈沖體制的探地雷達(dá)產(chǎn)生的窄脈沖信號(hào)具有很寬的頻譜成分，通過(guò)傅里葉變換分析可以得出，對(duì)于底寬為2 ns的高斯脈沖，信號(hào)的主要能量集中在250～750 MHz，其頻譜特性決定了適合該信號(hào)收發(fā)的超寬帶天線(xiàn)應(yīng)以500 MHz為中心頻率，并覆蓋500 MHz的工作頻帶。

2.1天線(xiàn)臂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

前人通過(guò)研究天線(xiàn)上的脈沖電壓和電流的傳播過(guò)程和等效電路，指出如果從天線(xiàn)的饋電點(diǎn)沿著電流方向逐漸增加天線(xiàn)臂的寬度，在一定程度上就可實(shí)現(xiàn)展寬工作頻帶的效果［16］。典型的例子為雙錐天線(xiàn)或者其平面形式的蝶形天線(xiàn)。

本文為了改進(jìn)天線(xiàn)的輸入阻抗特性，對(duì)天線(xiàn)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。在蝶形天線(xiàn)的基礎(chǔ)上，不改變的天線(xiàn)尺寸，采用了半橢圓的天線(xiàn)臂結(jié)構(gòu)，如圖1所示兩種天線(xiàn)的平面結(jié)構(gòu)圖。分別對(duì)未施加電阻加載的半橢圓天線(xiàn)和蝶形天線(xiàn)進(jìn)行了仿真分析。圖2同時(shí)給出了半橢圓天線(xiàn)和蝶形天線(xiàn)的輸入阻抗。

從圖中可以看出，半橢圓天線(xiàn)的輸入阻抗實(shí)部變化更加平坦，實(shí)部主要集中在 100 Ω左右，同時(shí)虛部值較小且變化平滑。相比之下，蝶形天線(xiàn)的輸入阻抗無(wú)論是實(shí)部還是虛部變化范圍都偏大，同時(shí)還具有較高的諧振頻點(diǎn)。由此分析可以推斷，采用半橢圓天線(xiàn)不僅可以縮小天線(xiàn)的尺寸，還有利于與傳輸線(xiàn)的匹配，更適合探地雷達(dá)系統(tǒng)的需求。

2.2電阻加載的設(shè)計(jì)

圖1　蝶形天線(xiàn)和半橢圓天線(xiàn)的平面結(jié)構(gòu)Fig. 1　Plane structure of bow-tie antenna and half-ellipse antenna

對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行阻抗加載可以有效抑制因天線(xiàn)電流在末端的多次反射而引起的輻射波形的振蕩，從而使天線(xiàn)獲得更好的波形保形性和更寬的工作帶寬。目前廣泛應(yīng)用的加載方式有末端加載和連續(xù)加載兩種。采用末端加載由于其加載點(diǎn)少、加載位置遠(yuǎn)離饋電點(diǎn)等原因可以獲得更大的輻射脈沖幅度，但是這種加載方式并不能完全吸收天線(xiàn)的末端電流，造成輻射信號(hào)中存在較強(qiáng)的振蕩拖尾。這些振蕩會(huì)掩蓋一些比較微弱的地下目標(biāo)回波信號(hào)，影響系統(tǒng)的工作性能。采用分布式連續(xù)加載方式可以更高效地抑制因天線(xiàn)末端反射電流造成的波形振蕩。實(shí)際工程中通常應(yīng)用不均勻電阻加載是Wu-King加載［17］方式的離散化改進(jìn)。這種加載方式從天線(xiàn)饋電點(diǎn)起，始端加載輕電阻小，尾端加載重電阻大，由于大部分能量都是在天線(xiàn)前部產(chǎn)生，因此對(duì)輻射信號(hào)幅度的影響不大。本文所研究的分布電阻加載結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線(xiàn)臂上電阻的加載公式為：

其中，ψ為末端加載電阻的阻值，l為相鄰電阻加載點(diǎn)之間的間隔，L為單個(gè)天線(xiàn)臂的長(zhǎng)度，xi為加載點(diǎn)的位置。在設(shè)計(jì)中，依據(jù)式（1）得出的結(jié)果還需通過(guò)仿真進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)得到最優(yōu)的結(jié)果。

圖3分別給出了本文設(shè)計(jì)的分布式加載天線(xiàn)和末端加載天線(xiàn)正下方5 m處的時(shí)域輻射波形。為了更好地分析兩種天線(xiàn)的不同，將時(shí)域波形進(jìn)行了歸一化處理。從圖中可以看出，分布式加載天線(xiàn)的時(shí)域波形的振蕩系數(shù)［18］γ=0.35，而末端加載天線(xiàn)振蕩系數(shù)γ=0.7，且可以明顯地看出存在振蕩拖尾，而分布式加載天線(xiàn)具有更好地時(shí)域輻射特性。因此，盡管分布式加載天線(xiàn)相對(duì)末端加載天線(xiàn)的增益相對(duì)偏低，但是其具有較低的振蕩拖尾，有助于地下目標(biāo)的識(shí)別和成像。對(duì)于發(fā)射機(jī)產(chǎn)生脈沖幅度較高的探地雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，適宜采用分布式加載形式的天線(xiàn)。

2.3天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)

天線(xiàn)的俯視圖如圖4（a）所示。天線(xiàn)的振子由一對(duì)半橢圓組成，通過(guò)優(yōu)化確定橢圓的具體尺寸L=170 nm，W=120 nm，中心饋電點(diǎn)之間的距離d=4 mm。天線(xiàn)的末端連接兩個(gè)寬20 mm的金屬帶，該金屬帶用于反射腔的安裝。整副天線(xiàn)印制在380 mm×150 mm的覆銅板上，覆銅板的基底是介電常數(shù)εr=4.9的FR-4材料。在天線(xiàn)上有若干條縫隙，通過(guò)在這些縫隙上焊接貼片電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的分布式加載。在天線(xiàn)的上方放置一個(gè)形狀為長(zhǎng)方體的金屬反射腔，用來(lái)提高天線(xiàn)輻射的方向性，同時(shí)可以屏蔽外界信號(hào)對(duì)天線(xiàn)的干擾。該反射腔與圖1（a）中的兩條矩形金屬帶連接。根據(jù)鏡像原理，反射腔的高度為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的四分之一［12］，即h=75 mm，如圖4（b）所示。

3　實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果分析

圖2　半橢圓天線(xiàn)和蝶形天線(xiàn)的輸入阻抗Fig. 2　The input impedance of bow-tie antenna and half-ellipse antenna

圖3　末端加載和分布式加載天線(xiàn)的時(shí)域波形Fig. 3　Transient waveforms of bottom loading and distributed loading antennas

圖4　天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖Fig. 4　Structure of the antenna

在基于時(shí)域有限積分（Finite Integration Time Domain method，F(xiàn)ITD）理論的3維電磁仿真軟件中，對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行了理論建模和仿真分析，同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果加工制作了一套天線(xiàn)樣機(jī)，并在微波暗室中對(duì)天線(xiàn)的輸入阻抗、反射損耗特性、輻射特性進(jìn)行了測(cè)試，并將實(shí)測(cè)結(jié)果與理論仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析和研究。

3.1天線(xiàn)的輸入阻抗和反射損耗特性分析

天線(xiàn)的輸入阻抗通過(guò)仿真計(jì)算得出，如圖5所示。從圖中可以看出，天線(xiàn)的輸入電阻在100～175 Ω之間變化，輸入電抗絕對(duì)值小于100 Ω，因此天線(xiàn)可采用較為常見(jiàn)的特性阻抗為100 Ω的饋線(xiàn)進(jìn)行平衡饋電。在實(shí)驗(yàn)中采用了CPW-CPS寬帶50～100 Ω阻抗變換巴倫［19］，50 Ω端為不平衡的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，連接同軸饋電線(xiàn)；100 Ω端為平衡的雙線(xiàn)結(jié)構(gòu)，連接天線(xiàn)饋電點(diǎn)。整個(gè)巴倫在厚度為1 mm、介電常數(shù)εr=4.4的介質(zhì)板上按照印刷電路加工形式制作而成，尺寸為42 mm×20 mm。

圖6給出了天線(xiàn)的反射損耗S11，并且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，從圖中可以看出，天線(xiàn)在250～750 MHz均能保證反射損耗小于-10 dB，即電壓駐波比小于2，具有良好的寬帶匹配特性，滿(mǎn)足系統(tǒng)的使用要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差主要源于制作的誤差以及實(shí)驗(yàn)中寬帶巴倫的引入。

3.2天線(xiàn)的輻射特性分析

工程應(yīng)用中，希望天線(xiàn)具有一定的方向性，可以使更多的能量向地下輻射，因此往往使用金屬反射腔提高天線(xiàn)的方向性，同時(shí)也可以一定程度上屏蔽來(lái)自天空的干擾信號(hào)。圖7和圖8分別給出了天線(xiàn)在250 MHz，500 MHz和750 MHz的E面和H面歸一化輻射方向圖，圖中仿真值與測(cè)量值的差異主要是源于測(cè)量過(guò)程中周邊目標(biāo)的反射。從圖中的結(jié)果可知，天線(xiàn)在E面（XOZ面）具有一定的方向性，在H面（YOZ面）具有較寬的方向性，因而收發(fā)天線(xiàn)沿H面移動(dòng)有利于目標(biāo)的檢測(cè)和成像。由于在仿真時(shí)考慮了天線(xiàn)安裝載體的影響，因此天線(xiàn)的H面方向圖并沒(méi)有左右完全對(duì)稱(chēng)，仿真和測(cè)試結(jié)果均說(shuō)明了安裝載體對(duì)天線(xiàn)方向圖的影響。

圖5　天線(xiàn)的輸入阻抗Fig. 5　Antenna input impedance

圖6　天線(xiàn)的反射損耗Fig. 6　Antenna return loss

圖7　天線(xiàn)的E面輻射方向圖（XOZ面）Fig. 7　Antenna E-plane radiation pattern（XOZ plane）

探地雷達(dá)要求天線(xiàn)具有良好的時(shí)域特性，即信號(hào)保真性。為了評(píng)估天線(xiàn)的時(shí)域輻射特性，采用脈寬為2 ns的窄脈沖激勵(lì)天線(xiàn)，利用仿真軟件計(jì)算了天線(xiàn)正下方的輻射信號(hào)波形，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試了天線(xiàn)正下方的信號(hào)波形。應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線(xiàn)對(duì)地穿透特性和時(shí)域波形的方法原理圖如圖9所示。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口分別連接天線(xiàn)和埋入地下0.5 m的一個(gè)電磁探針，通過(guò)讀取矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示的S21參數(shù)，并將其進(jìn)行傅里葉逆變換轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)，便可以獲取天線(xiàn)對(duì)地穿透的時(shí)域波形，同時(shí)根據(jù)時(shí)域波形評(píng)估穿透性能。

將時(shí)域信號(hào)波形除以信號(hào)的最大值，得到仿真和實(shí)驗(yàn)的歸一化信號(hào)電壓，如圖10所示。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)出的激勵(lì)脈沖相對(duì)仿真中采用的理想高斯脈沖有一定的失真，因此仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的輻射信號(hào)波形并沒(méi)有完全一致，但是從圖中可以看出，在分布電阻加載對(duì)天線(xiàn)上反射電流的吸收作用下，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果都顯示出天線(xiàn)下方的輻射信號(hào)拖尾很小，振蕩衰減很快，具有很好的信號(hào)保真性。

圖8　天線(xiàn)的H面輻射方向圖（YOZ面）Fig. 8　Antenna H-plane radiation pattern（YOZ plane）

圖9　天線(xiàn)時(shí)域輻射測(cè)試原理圖Fig. 9　Antenna transient radiation measurement scheme

圖10　天線(xiàn)的時(shí)域輻射波形Fig. 10　Antenna transient radiation waveform

3.3天線(xiàn)在探地雷達(dá)系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證天線(xiàn)在探地雷達(dá)系統(tǒng)中的使用效果，將本文天線(xiàn)連接已有的探地雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)地下管道進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)如圖11所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)將收發(fā)天線(xiàn)、脈沖源和接收機(jī)集成在一起，收發(fā)天線(xiàn)前后放置并緊貼地面，沿垂直于地下管道的方向緩慢運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)整輻射信號(hào)的重復(fù)頻率和接收信號(hào)的采樣間隔。圖12給出了雷達(dá)接收到的地下目標(biāo)回波信號(hào)的2維圖，其中橫坐標(biāo)為雷達(dá)所在的位置，縱坐標(biāo)為目標(biāo)的距離，用灰度表示回波信號(hào)的幅度。圖中的成像結(jié)果說(shuō)明，在距離地面大約0.5 m的位置有兩個(gè)很強(qiáng)的反射體并排放置，且高低稍有不同，為兩根并排放置粗細(xì)不同的管道，如圖中黑色橢圓框所標(biāo)的部分。

圖11　探地雷達(dá)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)圖Fig. 11　GPR experiment condition

圖12　實(shí)驗(yàn)回波數(shù)據(jù)的剖面圖Fig. 12　B-scan of experiment receiving data

4　結(jié)論

本文通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)蝶形天線(xiàn)的天線(xiàn)臂結(jié)構(gòu)以及采用分布電阻加載，設(shè)計(jì)了一種帶反射腔的半橢圓結(jié)構(gòu)的分布式電阻加載偶極子天線(xiàn)，對(duì)該天線(xiàn)的阻抗特性、反射損耗特性以及輻射特性進(jìn)行了仿真和測(cè)試，并且將天線(xiàn)應(yīng)用于探地雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)。仿真、測(cè)量和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該天線(xiàn)具有良好的阻抗匹配特性、輻射特性和信號(hào)保形性，滿(mǎn)足探地雷達(dá)系統(tǒng)的使用要求。

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Wu Bing-heng，Ji Yi-cai，and Fang Guang-you. Design and improvement of a novel wideband planar balun［J］. Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，2010，27（4）: 507-511.

吳秉橫（1982-），男，河北人，2010年于中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所獲工學(xué)博士學(xué)位，上海海事大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)槌瑢拵炀€(xiàn)技術(shù)和應(yīng)用。

E-mail: bhwu@shmtu.edu.cn

紀(jì)奕才（1974-），男，山東人，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，主要研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)、超寬帶天線(xiàn)、電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、電磁兼容。

E-mail: ycji@mail.ie.ac.cn

方廣有（1963-），男，河南人，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)成像理論與技術(shù)、探地雷達(dá)技術(shù)、地球物理電磁勘探技術(shù)、月球/火星探測(cè)雷達(dá)技術(shù)、超寬帶天線(xiàn)理論與技術(shù)、THz成像技術(shù)等方面的研究工作。

E-mail: gyfang@mail.ie.ac.cn

Design and Analysis of the Distributed Resistor-loading GPR Antenna with Reflected Cavity

Wu Bing-heng①②Ji Yi-cai②Fang Guang-you②

①（Shanghai Maritime University，Shanghai 200135，China）
②（Key Laboratory of Electromagnetic Radiation and Sensing Technology，Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

In this study，we investigated the use of a half-ellipse dipole with distributed resistor-loading. By improving the structure of the antenna arms and using distributed resistor-loading technology，the current reflection at the end of dipole is significantly reduced，the input impedance is improved，and the operation bandwidth is widened. We decreased the backward radiation of the antenna with a cubic metal-reflective cavity and also improved the ground penetration ability. The proposed antenna was simulated and designed with electromagnetic computing software； on the basis of the design results，we fabricated the antenna sample. Measurement results of the return loss and radiation characteristics of the proposed antenna confirm the validity of the simulation. We applied the proposed antenna in a GPR system as an underground target detection experiment； on the basis of the experimental results，we conclude that the antenna is able to meet the needs of GPR systems.

Ground Penetrating Radar （GPR）； Ultra-WideBand （UWB）antennas； Distributed resistor-loading；Radiation characteristic

The Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences （KGZW-EW-603）

TN957.2

A

2095-283X（2015）-05-0538-07 DOI：10.12000/JR15070

吳秉橫，紀(jì)奕才，方廣有. 帶反射腔的分布式電阻加載探地雷達(dá)天線(xiàn)設(shè)計(jì)與分析［J］. 雷達(dá)學(xué)報(bào)，2015，4（5）: 538-544.

10.12000/JR15070.

Reference format：Wu Bing-heng，Ji Yi-cai，and Fang Guang-you. Design and analysis of the distributed resistor-loading GPR antenna with reflected cavity［J］. Journal of Radars，2015，4（5）: 538-544. DOI: 10.12000/JR15070.

2015-06-03；改回日期：2015-07-10；

2015-07-30

吳秉橫bhwu@shmtu.edu.cn

中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（KGZW-EW-603）