用于探地雷達(dá)的超寬帶介質(zhì)埋藏天線設(shè)計(jì)

(西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610031)

超寬帶(UWB)探地雷達(dá)(GPR)技術(shù)越來越多地用于無損檢測(cè)和穿墻成像以及檢查地下結(jié)構(gòu)和埋藏物體。在探地雷達(dá)中，天線模塊對(duì)系統(tǒng)性能具有一定的影響。探地雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)需要在非常寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，設(shè)計(jì)難度較高。

近年來，已經(jīng)有許多探地雷達(dá)天線面世，如常用的電阻加載偶極子、蝴蝶結(jié)天線、螺旋天線和TEM喇叭天線等[1]。電阻加載偶極子[2]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于增益較低，應(yīng)用范圍受到極大限制?，F(xiàn)有的商業(yè)GPR系統(tǒng)主要使用的是蝴蝶結(jié)天線和TEM喇叭天線，但也面臨一些問題。蝴蝶結(jié)天線[3]的時(shí)域信號(hào)容易出現(xiàn)失真，而TEM喇叭天線[4]由于內(nèi)部反射的影響使得寬頻帶內(nèi)的阻抗匹配難度增大。因此，易于集成的超寬帶平面單極天線的出現(xiàn)，給探地雷達(dá)天線設(shè)計(jì)帶來了新的思路。

對(duì)超寬帶平面單極天線的改進(jìn)一般從以下幾個(gè)方向入手:其一，通過改變輻射貼片形狀以及地板形狀來實(shí)現(xiàn)小型化，但這種方法效果并不明顯;其二，通過在單極天線下方放置接地板來提高增益，并且能在一定程度上改善輻射方向圖。然而，接地板的引入會(huì)極大地增加天線尺寸，不適用于小型裝置。

受到平面八木天線設(shè)計(jì)[5]思路的啟發(fā)，本文采用介質(zhì)埋藏貼片天線的設(shè)計(jì)方式，將平行的多層微帶貼片沿著法線方向立體疊加，通過在不同貼片中間采用介質(zhì)板填充(即將各微帶貼片放置在介質(zhì)基片內(nèi)部)，因此稱為介質(zhì)埋藏天線。為實(shí)現(xiàn)小型化，設(shè)計(jì)過程中放棄了使用接地板或反射板，主要通過改變引向振子的形狀和位置來優(yōu)化天線特性。

1 天線設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

該天線采用對(duì)稱共面波導(dǎo)饋電方式，為了保證設(shè)計(jì)的天線的有效性和實(shí)用性，在計(jì)算中考慮介質(zhì)基板的厚度和有限地共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，圖1為共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)示意圖，該天線的饋電主要由式(1)～式(4)[6]計(jì)算得出。

圖1 共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of coplanar waveguide

式中:c為共面波導(dǎo)饋電線與共面波導(dǎo)邊緣之間的間隙;W為介質(zhì)板的寬度;W1為共面波導(dǎo)饋線寬度;h為共面波導(dǎo)與天線貼片基板厚度;εeff為有效介電常數(shù);εr為相對(duì)介電常數(shù);Z0為共面波導(dǎo)的特征阻抗值，K(k1)、K(k2)、K′(k1)和K′(k2)分別為第一類完全橢圓積分函數(shù)和其補(bǔ)函數(shù)，k1和k2是變量。根據(jù)以上公式可計(jì)算出對(duì)于特征阻抗為50 Ω的共面波導(dǎo)，當(dāng)其饋線寬度W1=2.8 mm時(shí)，饋電線與共面波導(dǎo)邊緣之間的間隙c=0.6 mm。天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，其中黃色部分為相對(duì)介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)基板FR-4，灰色部分為金屬。

圖2 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of antenna structure

在圖3中給出了天線的主要元件，包含兩層介質(zhì)基板和三層金屬貼片，其中兩層介質(zhì)板大小均為160 mm×185 mm，天線整體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為160 mm×185 mm×4.5 mm。天線最上層采用橢圓形的金屬輻射貼片，使用共面波導(dǎo)方式饋電，兩者均覆蓋在厚度為3 mm的介質(zhì)板上方。介質(zhì)板下方埋藏半徑為65 mm的圓形金屬貼片作為引向振子，設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)在圓形輻射貼片上開扇形槽能夠明顯改善天線的方向性，同時(shí)能夠一定程度上改善反射系數(shù)。埋藏輻射貼片下方再添加一層厚度為1.5 mm的介質(zhì)板，介質(zhì)板底部覆蓋半徑為45 mm的圓形金屬貼片，同樣起到引向振子的作用，能夠明顯增加增益。其中表1為該天線的具體參數(shù)。

圖3 天線主要元件示意圖Fig.3 Schematic diagram of main antenna elements

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Antenna structure parameters mm

2 天線分析與仿真

經(jīng)使用Ansoft公司的三維電磁仿真軟件HFSS仿真發(fā)現(xiàn)，埋藏貼片開扇形槽對(duì)天線的回波損耗S11具有改善作用，是否開扇形槽的仿真結(jié)果對(duì)比如圖4所示。當(dāng)埋藏貼片未開扇形槽時(shí)，在0.5～3 GHz頻段內(nèi)，存在S11＞-10 dB部分;當(dāng)引入扇形槽后，整個(gè)頻段內(nèi)天線回波損耗均位于-10 dB以下。

對(duì)該共面波導(dǎo)饋電線與共面波導(dǎo)邊緣之間的間隙c進(jìn)行仿真，得到間隙c變化時(shí)天線的回波損耗變化曲線如圖5所示。

圖4 埋藏貼片是否開扇形槽對(duì)天線性能的影響Fig.4 Influence of the buried patch on antenna performance

由圖5可知，當(dāng)其他參數(shù)保持不變，間隙c＞0.2 mm時(shí)，S11隨著c的增大而減小，回波損耗變化趨勢(shì)一致，最終選擇c=0.4 mm。

圖5 共面波導(dǎo)饋電線與地面之間的間隙c與S11關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the gap between the CPW and the ground and S11

天線在0.5～3 GHz內(nèi)各頻點(diǎn)的最大增益隨頻率變化曲線[7]如圖6所示。由圖6可知，天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)最小增益大于3.655 dBi，在2.75 GHz時(shí)達(dá)到增益最大值為6.255 dBi。

圖7給出了天線在最小增益頻點(diǎn)處和最大增益頻點(diǎn)處的xoz面和yoz面的仿真輻射方向圖。

圖6 天線增益變化曲線圖Fig.6 Antenna gain pattern with different frequencies

圖7 天線輻射方向圖Fig.7 Radiation patterns of the antenna

將本研究設(shè)計(jì)的天線與參考文獻(xiàn) [8-10]天線的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)天線與同頻段天線相比尺寸有所減小，且增益明顯增大，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)探地雷達(dá)天線在0.5～3 GHz頻段保持高增益的性能。

3 結(jié)論

本文所述的用于探地雷達(dá)的超寬帶介質(zhì)埋藏天線，采用介質(zhì)埋藏貼片的設(shè)計(jì)方式，將平行的多層微帶貼片沿著法線方向立體疊加，通過改變埋藏貼片開扇形槽的方式改善天線性能。從仿真結(jié)果來看，該天線具有比同類型天線尺寸小、增益高等優(yōu)點(diǎn)。本文同時(shí)分析了埋藏貼片是否開槽和共面波導(dǎo)饋電線與地面之間的間隙c對(duì)天線性能的影響，并得到了最優(yōu)參數(shù)。本文所設(shè)計(jì)的超寬帶介質(zhì)埋藏天線能夠工作于0.69～3 GHz，輻射性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于探地雷達(dá)系統(tǒng)。