用于探地雷達(dá)的超寬帶天線設(shè)計(jì)與仿真

尹 詩(shī) ，郭 偉

（1.中國(guó)科學(xué)院微波遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家空間科學(xué)中心，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049）

探地雷達(dá)是一種對(duì)淺層地下目標(biāo)實(shí)現(xiàn)無(wú)損探測(cè)的工具，其應(yīng)用從最初的對(duì)冰層厚度的探測(cè)，現(xiàn)已遍及城市建設(shè)、交通、考古、農(nóng)田、國(guó)防乃至空間探測(cè)領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

天線作為探地雷達(dá)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。脈沖體制或步進(jìn)頻率體制的探地雷達(dá)系統(tǒng)要求天線具有良好的輻射特性和寬帶特性。常用的超寬帶天線類型有：蝶形天線（及其變形）[1-4]、喇叭天線[5，6]、TSA 天線[7-9]。喇叭天線帶寬大，阻抗特性好，但其三維結(jié)構(gòu)限制了它的應(yīng)用場(chǎng)合；TSA天線則多用于1 GHz以上頻段；蝶形天線（及其變形）具有平面結(jié)構(gòu)，阻抗帶寬大，能較好的兼顧瞬時(shí)帶寬、信號(hào)保形以及有效輻射等方面的性能，加工簡(jiǎn)單，制造成本低。因此，探地雷達(dá)系統(tǒng)的收發(fā)天線常以蝶形天線為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

文中設(shè)計(jì)了一種三面背腔屏蔽的特殊形狀平面偶極子天線。以蝶形天線為基礎(chǔ)，采用結(jié)構(gòu)加載的方式，在天線臂兩側(cè)加載橢圓臂，并在天線臂末端加半圓臂，改善了天線表面的電流分布，從而有效降低了天線末端電流的反射，使天線的輸入阻抗曲線變得更加平坦。天線工作在100～480 MHz頻率范圍內(nèi)，在低頻段具有超寬帶的特性。

1 天線設(shè)計(jì)方法

1.1 天線形狀

目前，蝶形天線（及其變形）廣泛采用末端加載[10-11]和分布式加載[12-14]方式，雖然能夠在一定程度上吸收天線末端電流的反射，進(jìn)而改善天線的輸入阻抗特性，展寬天線工作帶寬，但是，由于電阻是耗能元件，加載之后會(huì)降低天線的輻射效率。因此，可以考慮對(duì)天線臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)加載。

蝶形天線具有和雙錐天線相似的電性能，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度如公式（1）和（2）所示：

公式（1）中λ為天線低頻段波長(zhǎng)，Zc為天線的特性阻抗，θ為天線臂張角。由式（1）和式（2）可知：蝶形天線的張角越大，它的頻帶就越寬，越利于實(shí)現(xiàn)天線端口處的阻抗匹配。

在天線臂尖銳頂點(diǎn)處加圓角能夠改善天線輻射表面的電流分布，在改善插入損耗的同時(shí)能夠提高天線方向圖在高頻段的穩(wěn)定性，同時(shí)可以使天線輸入阻抗曲線變得更加平坦。文獻(xiàn)[15]提出的“球根型”概念也表明將天線臂圓弧化（結(jié)構(gòu)加載）能夠拓寬天線的阻抗帶寬，與電阻加載等其它方法相比，天線輻射效率高，利于實(shí)現(xiàn)小型化。

綜合以上問(wèn)題考慮，在傳統(tǒng)蝶形天線的基礎(chǔ)上，通過(guò)在蝶形天線臂兩側(cè)加入橢圓形來(lái)增大天線的張角，并在天線臂末端加入半圓形天線臂來(lái)減小電流在天線臂兩端和末端的反射，進(jìn)而獲得更加平穩(wěn)的阻抗和寬帶特性。本文設(shè)計(jì)的天線形狀俯視圖和立體圖分別如圖1和圖2所示。天線結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值如表1所示。

圖1 俯視圖

圖2 立體圖

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值

1.2背腔

偶極子天線屬于全向輻射天線，而探地雷達(dá)系統(tǒng)要求發(fā)射信號(hào)的大部分能量都對(duì)地輻射，而因此需要通過(guò)加入金屬背腔來(lái)提高天線的對(duì)地增益。良好的背腔設(shè)計(jì)能夠有效屏蔽周圍背景環(huán)境對(duì)天線發(fā)射和接收信號(hào)的干擾，抑制后向輻射的同時(shí)增大天線的對(duì)地輻射增益，背腔的形狀和尺寸將在很大程度上影響天線的輻射性能，因此背腔設(shè)計(jì)是天線設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一步。

常用的背腔選用五面金屬材料，天線介質(zhì)基板四周留安裝孔，并將天線介質(zhì)基板固定在金屬背腔的敞口面，在腔內(nèi)添加吸波材料。但是由于天線的H面為全向輻射，電磁波會(huì)在金屬背腔的側(cè)面進(jìn)行多次反射，影響天線饋電端口處的阻抗特性，因此本設(shè)計(jì)中的金屬背腔選用三面金屬板結(jié)構(gòu)。背腔頂面對(duì)下端天線的鏡像作用使背腔式天線形成了一個(gè)兩單元的天線陣，對(duì)地面的輻射總場(chǎng)為:

式（3）中E1為天線自身的輻射電場(chǎng)，k為波數(shù)，λ為發(fā)射信號(hào)最強(qiáng)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，h為背腔的高度。當(dāng)時(shí)，天線的對(duì)地輻射能量達(dá)到Emax=2E1，通過(guò)仿真得到背腔高度的最優(yōu)值。本設(shè)計(jì)選取h=319mm。

2 仿真結(jié)果分析

使用Ansoft公司基于有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）方法的HFSS（HighFrequency Structure Simulator）15.0軟件，對(duì)文中設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行建模和仿真，通過(guò)對(duì)天線饋電端口處的阻抗特性曲線、回波損耗、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的觀察和分析來(lái)評(píng)估天線的性能。

2.1 天線表面電流分布

與本文設(shè)計(jì)天線具有相同尺寸的蝶形天線如圖3所示。和本文設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行建模和仿真后，得到天線表面電流分布分別如圖4和圖5所示。

圖3 蝶形天線模型

圖4 蝶形天線表面電流分布圖

從圖4中可以看出，蝶形天線的天線臂末端積聚了大量殘余電流，這些電流會(huì)被反射回去，惡化天線饋電端口處的輸入阻抗特性；從圖5中可以看出，本文設(shè)計(jì)的天線，通過(guò)在天線臂兩側(cè)加橢圓臂，并在天線臂末端加半圓臂進(jìn)行“弧化”的方法，來(lái)引導(dǎo)天線電流的流向，減小了輸入電流在天線邊緣處的反射，有效地改善了天線輻射表面的電流分布情況。

圖5 本文設(shè)計(jì)天線表面電流分布圖

2.2 天線輸入阻抗及回波損耗特性分析

將本設(shè)計(jì)中的天線與相同尺寸的蝶形天線進(jìn)行仿真得到天線端口輸入阻抗特性曲線的實(shí)部和虛部，分別如圖6和圖7所示。

圖6 天線端口輸入阻抗實(shí)部

圖7 天線端口輸入阻抗虛部

從圖6和圖7中可以看出，在100～480 MHz頻率范圍內(nèi)，對(duì)于蝶形天線，其端口輸入電阻在100～300 ohms，電抗在0～100 ohms范圍內(nèi)變化，起伏較大，不利于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；而本文設(shè)計(jì)的天線，其端口輸入電阻在125 ohms左右，電抗部分很小，較蝶形天線而言，其阻抗特性曲線更加平坦，具有更好的寬帶特性。

常用的同軸線的特性阻抗為50 ohms或75 ohms，后期可以通過(guò)設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或者使用CPW-CPS形式的寬帶巴倫來(lái)實(shí)現(xiàn)天線饋電端口處的阻抗匹配。

圖8和圖9分別為天線的反射損耗（Return Loss，S11）曲線和天線的電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）曲線?？梢钥闯觯疚脑O(shè)計(jì)的天線工作在100～480 MHz頻率范圍內(nèi)，相對(duì)帶寬可達(dá)131%，S11<-10 dB，VSWR<2，具有很好的寬帶特性。

圖8 S11

圖9 VSWR

2.3 天線頻域輻射特性分析

在HFSS軟件中搭建模擬自由空間環(huán)境的空氣盒子，仿真后得到天線在不同頻點(diǎn)處的歸一化E面輻射方向圖，如圖 10（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示。從圖10中可以看出，本文設(shè)計(jì)的天線主瓣寬，后向輻射小，具有良好的對(duì)地輻射特性。由于未使用電阻加載，在100～480 MHz頻率范圍內(nèi)，其輻射效率接近100%。在480 MHz頻點(diǎn)處，天線的的主瓣已經(jīng)很窄了，達(dá)到了設(shè)計(jì)極限。

圖10 歸一化E面輻射方向圖

在天線的中心工作頻率290 MHz處，天線的E面增益曲線如圖11所示。從圖11中可以看出，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)加載型天線，其增益高達(dá)4.39 dBi，而對(duì)于分布式電阻加載型的蝶形天線來(lái)說(shuō)，增益僅有-7 dBi[16-19]。這充分證明了結(jié)構(gòu)加載方法比電阻加載方法更優(yōu)越。

圖11 290 MHz處E面增益曲線

3 結(jié) 論

文中探地雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種三面背腔屏蔽的特殊形狀平面偶極子天線，主要通過(guò)結(jié)構(gòu)加載方法對(duì)傳統(tǒng)蝶形天線進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用三維電磁仿真軟件從仿真的角度驗(yàn)證了將天線臂“弧化”的方法可以改善天線表面的電流分布，得到比蝶形天線更加平坦的輸入阻抗特性曲線和更優(yōu)異的輻射特性。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的天線可工作在100～480 MHz頻率范圍內(nèi)，符合探地雷達(dá)系統(tǒng)要求。其端口輸入阻抗在125 ohms左右，利于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

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