車載超寬帶電阻加載單極子天線系統(tǒng)研究?

李雪萍,王 立,甘利萍,閆 靜

(1.河南師范大學電子與電氣工程學院,河南新鄉(xiāng)453007;

2.河南省高等學校電磁波特征信息探測重點學科開放實驗室,河南新鄉(xiāng)453007)

0 引言

超寬帶雷達探測技術由于具有高分辨率、強穿透性、低截獲率、無損探測以及結果直觀明了等優(yōu)點而被廣泛研究[1]。近年來,月球與火星等星球次表層結構的探測越來越受到世界各國的關注。在所有探測方式中,表層穿透雷達被認為是最有前景的工具之一,已作為一種航天飛行器傳感器,在月球與深空探測中得到了廣泛的應用[2]。

天線作為表層穿透雷達系統(tǒng)中輻射、接收能量的關鍵部件,其性能要求包括頻帶寬、體積小、加工成本低等多個方面。目前常用的超寬帶天線主要有電阻加載的偶極子天線及其變形[3-6]、Vivaldi天線[7]、TEM喇叭天線[8-9]以及小型TSA天線[10-11]。對于表層穿透雷達和穿墻成像雷達等脈沖探測雷達來說,為了良好地與介質(zhì)耦合,獲得更好的探測效果,通常選用介質(zhì)耦合天線。偶極子天線作為一種介質(zhì)耦合天線,因其與介質(zhì)良好的耦合特性而被廣泛使用[12-13]。在月球與深空探測領域,表層穿透雷達安裝在探測車上,用于探測星球次表面的地質(zhì)結構。傳統(tǒng)的加載偶極子天線長度較長,由于平衡饋電的結構方式,難以在探測車上安裝。為了減小天線的尺寸,減輕天線的重量以滿足安裝位置的要求,本文提出了一種深空探測中用于車載的超寬帶電阻加載單極子天線,對整個天線系統(tǒng)的電壓駐波比、輻射方向圖以及時域輻射特性進行了研究,分析了介質(zhì)的電特性參數(shù)(介電常數(shù)和損耗正切)對雷達系統(tǒng)探測能力的影響,根據(jù)仿真設計結果制作了一套收發(fā)天線樣機,并安裝在探測車上,在冰川進行了外場探測試驗。該天線具有較低的電壓駐波比、良好的輻射特性以及較小的振鈴,并且質(zhì)量輕、結構簡單、易于車載安裝,對于表層穿透雷達在月球與深空探測領域的推廣應用有著重要的意義。

1 天線結構

文獻[9]提出了一種使天線的電流呈行波分布的阻抗加載方法,通過此種加載使得天線的反射電流減小,可以抑制輻射脈沖拖尾,展寬天線工作頻帶。實際工程應用中,常采用不均勻電阻加載的形式,天線從饋電端開始,加載阻值逐漸增大,輻射場的主要波形在天線前部已經(jīng)產(chǎn)生,因此損失較小。本文通過電阻加載來展寬天線的帶寬特性,選取單極子天線上加載電阻阻值按Wu-king方法來確定,即

式中,z為天線上某點距天線饋電點的距離,L為單極子天線的長度,ψ0為一個無綱常量。這里,選取ψ0=0.35,此時輸入阻抗大約為200Ω。如圖1所示,天線分為8段,每相鄰兩段之間的寬度d i=2 mm(i從饋電端開始標號從1到7),并通過加載電阻相連接?？紤]到計算結果R i和實際的電阻分布表,在選擇電阻大小r i時根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整,如表1所示。

圖1 分段電阻加載天線示意圖

表1 天線電阻加載剖面說明

探測車如圖2所示,其尺寸為1.2 m×0.8 m× 0.87 m。天線設計過程中充分考慮了天線的質(zhì)量和安裝位置的限制,為保證探測車行走的安全性,天線安裝在探測車尾部,向上傾斜16°,且天線距離地面高度為1 m。天線的中心頻率為60 MHz,工作帶寬為40 MHz,長度為1.25 m,半徑為6 mm。

圖2 天線在探測車上的安裝示意圖

2 天線仿真測試結果及分析

借助基于時域有限積分(FITD)方法的三維仿真軟件CST,對天線進行了建模和仿真。根據(jù)仿真設計結果制作了一套收發(fā)天線樣機,并將樣機安裝在探測車上,在電波暗室中對天線的駐波特性和輻射方向圖進行了測試。

圖3給出了車載電阻加載單極子天線系統(tǒng)電壓駐波比的仿真結果和測量結果。從圖中可以看到,在40～80 MHz頻率范圍內(nèi)整個天線系統(tǒng)具有較好的電壓駐波比(≤3),并且仿真結果和測量結果吻合良好。

圖3 車載電阻加載單極子天線系統(tǒng)的電壓駐波比

圖4 歸一化車載電阻加載單極子天線系統(tǒng)的方向圖

圖4給出了歸一化的車載電阻加載單極子天線系統(tǒng)的E面和H面輻射方向圖,可以看到主要輻射方向和地面之間存在有一定的夾角,這是由天線和探測車之間的角度所引起;主要輻射方向仍指向地面,并具有光滑的主瓣和良好的方向性,可以滿足次表面地質(zhì)結構探測的需要;仿真結果和測試結果吻合良好,并且車載電阻加載單極子和理想單極子的輻射方向圖一致。

圖5 車載雷達系統(tǒng)接收到的歸一化直耦波波形

圖5給出了接收天線接收到的歸一化直耦波的仿真結果,為了更清晰地比較激勵脈沖和接收天線接收到的直耦波,這里將直耦波沿著x軸進行了平移。從圖中可知,該車載天線系統(tǒng)具有比較干凈的直耦波和較小的振蕩系數(shù),能夠滿足車載雷達系統(tǒng)的使用需求。

3 整個系統(tǒng)仿真及試驗分析

為了將電磁波能量盡可能多地耦合到媒質(zhì)中去,天線系統(tǒng)一般工作在近地表面,因此天線系統(tǒng)的特性也容易受到地面的影響。當土壤類型或者地形地貌不同時,天線系統(tǒng)接收到的信號也將發(fā)生變化。由文獻[14-16]可知,月球淺表層的相對介電常數(shù)從2～8變化,損耗正切范圍為0.005～0.03。根據(jù)工程任務和科學探測目標,車載表層穿透雷達要求對著陸點100 m左右深的月壤結構進行探測,而安裝于探測車上的表層穿透雷達系統(tǒng)可檢測到的最小信號約為42μV,為了驗證探測系統(tǒng)接收回波的可靠性,借助基于時域有限積分(FITD)方法的三維仿真軟件CST,對整個天線系統(tǒng)進行了建模和仿真計算,其模型如圖6所示。該電磁散射的物理模型由4層介質(zhì)組成,分別為自由空間層、土壤層(ε,tanδ,R1=30 m)、巖石層(ε2, tanδ2,R2=50 m)和深層巖石層(ε3=8,tanδ3=0.03,R3=40 m)。表2給出了介質(zhì)電特性參數(shù)(介電常數(shù)和損耗正切)不同情況下天線接收到的散射回波。

圖6 車載表層穿透雷達系統(tǒng)的三維模型示意圖

表2 介質(zhì)電特性參數(shù)不同情況下天線接收到的回波

從表中可知,在任務要求的探測范圍內(nèi)回波信號的幅值均大于雷達系統(tǒng)可探測到的最小值,也就是說雷達系統(tǒng)可以探測到回波信號,這證明了此車載雷達系統(tǒng)的有效性,可以承擔探測任務。

為了進一步驗證整個車載表層穿透雷達天線系統(tǒng)的輻射與接收特性,將制作的天線系統(tǒng)安裝在探測車上,用發(fā)射機對其中一個天線饋入周期信號,另一個天線用于接收信號。選取地球上接近月球電磁特性的位置(甘肅省肅北蒙古族自治縣老虎溝12號冰川)進行地面驗證試驗,隨著探測車不斷向前移動,包含地面分層信息的連續(xù)回波信號不斷被接收機接收,經(jīng)過雷達系統(tǒng)控制與處理單元處理后就能得到相應的冰川內(nèi)部剖面圖(B-scan),如圖7所示。從圖中可以清晰地觀測到冰川內(nèi)部的分層結構,且探測結果與實際地形地質(zhì)結構相吻合。這表明該天線具有良好的脈沖輻射特性,可以安裝到超寬帶表層穿透雷達上以便應用于月球地質(zhì)地貌的探測。

圖7 實測冰川內(nèi)部剖面圖

4 結束語

本文介紹了一種月球探測中用于車載的超寬帶電阻加載單極子天線的工程化設計方法,采用數(shù)值計算軟件CST對天線特性進行了研究,分析了介質(zhì)的電特性參數(shù)對整個雷達系統(tǒng)探測能力的影響,并實際完成了天線系統(tǒng)及雷達樣機的制作安裝,最后在與實際工程應用環(huán)境電磁特性接近的冰川進行了試驗測試,獲得了清晰的冰川內(nèi)部剖面圖。仿真和實際測量結果表明,所設計的天線具有良好的時域特性,可以滿足實際工程應用的需要。

[1]FONTANA R J.Recent System Application of Short-Pulse Ultra Wideband(UWB)Technology[J].IEEE Trans on Microwave of Theory and Techniques,2004, 52(9):2087-2103.

[2]KOBAYASHI T,LEE S R,JIN S P.Kaguya Lunar Radar Sounder Observation of Sinus Iridum[C]∥14th International Conference on Ground Penetrating Radar,Shanghai:IEEE,2012:913-916.

[3]盧曉鵬,汪偉,高初.微帶線饋電的寬帶單層貼片天線[J].雷達科學與技術,2012,10(4):448-452. LU Xiaopeng,WANG Wei,GAO Chu.Microwave Line Fed Wideband Single-Layer Patch Antenna[J]. Radar Science and Technology,2012,10(4):448-452. (in Chinese)

[4]SHAO J,FANG G,JI Y,et al.Semicircular Slot-Tuned Planar Half-Ellipse Antenna with a Shallow Vee-Cavity in Vital Sign Detection[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2014,7(3):767-774.

[5]XU Lina,LI Li,ZHANG Wenmei.Study and Design of Broadband Bow-Tie Slot Antenna Fed with Asymmetric CPW[J].IEEE Trans on Antennas and Propagation,2015,63(2):760-765.

[6]WU M T,CHUANG M L.Multibroadband Slotted Bow-Tie Monopole Antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015(14):887-890.

[7]WANG Z,YIN Y,WU J,et al.A Miniaturized CPW-Fed Antipodal Vivaldi Antenna with Enhanced Radiation Performance for Wideband Applications [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015(15):16-19.

[8]BOBRESHOV A M,MESHCHERYAKOV I I,USKOV G I.Optimization of the Flare Angle of a TEM Horn for Efficient Radiation of Ultrashort Pulses[J]. Journal of Communications Technology and Electronics,2012,57(3):291-295.

[9]SHAO J,FANG G,FAN J,et al.TEM Horn Antenna Loaded with Absorbing Material for GPR Applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2014,13(5):523-527.

[10]LEE D H,YANG H Y,CHO Y K.Ultra-Wideband Tapered Slot Antenna with Dual Band-Notched Characteristics[J].IET Microwave Antennas and Propagation,2014,8(8):29-38.

[11]KHALICHI B,NIKMEHR S,POURZIAD A,et al.Designing Wideband Tapered-Slot Antennas:A Novel Method Using SIW Technology[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2015,57(3):60-70.

[12]UNAL I,TURETKEN B,CANBAY C.Spherical Conformal Bow-Tie Antenna for Ultra-Wide Band Microwave Imaging of Breast Cancer Tumor[J]. Applied Computational Electromagnetics Society Journal,2014,29(2):124-133.

[13]JANG E S,KIM K,PARK J K,et al.A Selective Robust SRR Providing Notched Band in Conical Monopole UWB Antenna[J].Microwave and Optical Technology Letters,2016,58(2):332-337.

[14]HEIKEN G H,VANIMAN D T,FRENCH B M. Lunar Sourcebook:A User’s Guide to the Moon[M]. New York:Cambridge University Press,1991:27-34.

[15]SHKURATOV Y G,BONDARENKO N V.Regolith Layer Thickness Mapping of the Moon by Radar and Optical Data[J].Icarus,2001,149(2): 329-338.

[16]歐陽自遠.月球科學概論[M].北京:中國宇航出版社,2005:56-65.