分形技術(shù)在探地雷達(dá)天線中的研究與應(yīng)用

成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王光旭

探地雷達(dá)是進(jìn)行地下環(huán)境無損探測(cè)的一種有效工具，用來探測(cè)和識(shí)別地下目標(biāo)。利用分形技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)蝶形天線進(jìn)行改造。Sierpinski分形方法具備內(nèi)外相似的特征，可以增加發(fā)射天線的工作頻點(diǎn)。利用Hfss分析并仿真了一階分形的蝶形天線，結(jié)果表明天線具有良好的的輻射特性?？梢詮V泛地應(yīng)用于探地雷達(dá)和其它超寬帶系統(tǒng)。

探地雷達(dá)是一種先進(jìn)的地質(zhì)特性探測(cè)設(shè)備。它通過向地下發(fā)射寬度為納秒級(jí)的脈沖波，脈沖波形在地下介質(zhì)變化的界面上產(chǎn)生散射、反射等一系列電磁傳播特性。嚴(yán)格控制發(fā)射機(jī)與接收的時(shí)間差，在發(fā)射波形結(jié)束的瞬間，利用接收天線收集反射回波信號(hào)。由于電磁波在不同的介質(zhì)中傳播特性不同，根據(jù)回波的時(shí)延及波形形狀等參數(shù)，反演判斷出目標(biāo)深度、介質(zhì)特性等指標(biāo)。

探地雷達(dá)系統(tǒng)要求收發(fā)天線具有良好的輻射方向、效率、寬頻帶、時(shí)域等特性。天線是沖擊脈雷達(dá)的核心部件，它直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。為了保證系統(tǒng)的發(fā)射效率，還要求盡可能工作在行波狀態(tài)，即天線反射功率占比小，耐高壓沖擊。

由于探地雷達(dá)主要工作于野外環(huán)境實(shí)，因此需要探地雷達(dá)具有小型化、便攜性、多發(fā)射頻點(diǎn)等特性。天線的寬帶研究一直是天線研究的熱點(diǎn)問題，Sierpinski分形方法引入在天線設(shè)計(jì)是拓展天線工作帶寬的新方法。本文利用Sierpinski分形技術(shù)研究新型探地的雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)、輻射特性等參數(shù)，開發(fā)一款新探地雷達(dá)天線。

1 蝶形天線

天線的尺寸與發(fā)射頻率直接相關(guān)，并且由于探地雷達(dá)主要向地下發(fā)射電磁波。電磁波穿透地質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力也與工作頻率密切相關(guān)。天線發(fā)射頻率在幾十MHz～300MHz之間時(shí)候，天線尺寸較大，同時(shí)電磁波穿透深度可達(dá)1m以上；頻率為400MHz～1GHz，天線尺寸相對(duì)較小并且電磁波穿透深度也小于1m。

寬帶天線具有多頻點(diǎn)的特性，尺寸主要由低端頻率的波長(zhǎng)決定的。頻率越低穿透深度越大，同時(shí)天線的尺寸也越大。探地雷達(dá)的工作環(huán)境要求天線的尺寸盡可能小。傳統(tǒng)探地雷達(dá)使用的蝶形天線是一種超寬帶天線，具有制作簡(jiǎn)單、使用方便、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，是主頻100～2000MHz探地雷達(dá)天線的主要結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)蝶形天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蝶形天線

蝶形天線尺寸的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度如公式(1)和(2)所示：

公式(1)中λ為天線工作頻率中最低頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，Zc為特征阻抗，θ為天線臂張角。由式(1)和式(2)可知：天線張角越大，頻帶就越寬，越容易實(shí)現(xiàn)天線端口處的阻抗匹配，提高天線輻射效率。

為了進(jìn)一步增加蝶形天線的帶寬，目前采用電阻加載的方式消除末端的二次反射，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以獲得滿意的波形以及駐波特性，但是這類天線的缺點(diǎn)是效率偏低，影響測(cè)試效果。

針對(duì)以上存在的缺點(diǎn)，本課題將目前天線研究領(lǐng)域最新的拓寬頻帶的方法，即分形技術(shù)應(yīng)用于探地雷達(dá)天線設(shè)計(jì)。

圖2 終端加載天線

2 分形技術(shù)

2.1 分形方法

分形天線，是指在幾何屬性上具有分形屬性的一種新型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的天線。分形的主要特征就是具有形狀上的自相似。分形天線的局部與整體、局部與局部都具有一定的自相似性，從而構(gòu)成多頻段輻射特性。Sierpinski分形方法最初是從等邊三角形中間挖去一個(gè)高度為其一半的小等邊三角形剩下的三角形得到一次迭代的結(jié)構(gòu)。對(duì)剩下的三角形進(jìn)行同樣的操作可以得到二次迭代的Sierpinski結(jié)構(gòu)。以此類推，可得三次、四次等等。Sierpinski墊片生成過程如圖3所示。

圖3 Sierpinski墊片的生成過程

2.2 分形蝶形天線

蝶形天線的特點(diǎn)左右振子對(duì)稱分布，每一邊的振子為三角形，此形狀屬于分形天線中的典型結(jié)構(gòu)。利用分形技術(shù)原理設(shè)計(jì)的新型蝶形天線如圖4所示。采用一次分形的方法進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，天線振子三角形結(jié)構(gòu)內(nèi)部嵌套一次比例縮小結(jié)構(gòu)。

天線的基本結(jié)構(gòu)及其幾何尺寸是天線建模的基礎(chǔ)。本次設(shè)計(jì)的探地雷達(dá)蝶形天線的基本結(jié)構(gòu)及幾何尺寸如圖5所示，工作主頻主要基于低頻段設(shè)計(jì)。

圖4 一階分形蝶形天線

圖5 天線尺寸

3 仿真設(shè)計(jì)

HFSS是一款目前流行的高性能天線設(shè)計(jì)與模擬仿真軟件。它采用圖形用戶界面，采用有限元分析方法，并且能夠快速、準(zhǔn)確地得到三維電磁問題的解，是天線設(shè)計(jì)人員必須掌握的一門工具軟件。

3.1 仿真模型的建立

利用HFSS仿真了傳統(tǒng)蝶形天線如圖6(a)與一階分形天線如圖6(b)所示。天線尺寸采用圖5所標(biāo)注的長(zhǎng)度。

圖6 天線HFSS仿真模型

3.2 仿真結(jié)果與分析

天線仿真結(jié)果如圖7所示。在天線的測(cè)試指標(biāo)中，S參數(shù)中的回波損耗作為重要的考察指標(biāo)，表征了天線的發(fā)射效率。一般認(rèn)為S(1,1)小于-10dB對(duì)應(yīng)的頻率可以作為發(fā)射頻點(diǎn)。采用傳統(tǒng)蝶形天線設(shè)計(jì)中心頻率為125MHz所得回波損耗如圖7(a)所示。從圖7可以看出，傳統(tǒng)蝶形天線屬于單中心頻率天線。通過對(duì)比圖7(a)與圖7(b)的回波損耗，可以看出經(jīng)過分形技術(shù)改造后的蝶形天線在500MHz附近，S(1,1)的值接近-12.5dB，可以作為發(fā)射頻點(diǎn)。由此可得，本文設(shè)計(jì)的新天線可以在125MHz與500MHz處實(shí)現(xiàn)雙中心頻點(diǎn)發(fā)射機(jī)，拓寬了原傳統(tǒng)天線的發(fā)射頻點(diǎn)。在野外作業(yè)過程中，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖7 HSS仿真結(jié)果S11參數(shù)

4 結(jié)論

研究表明采用Sierpinski分形結(jié)構(gòu)改造的新型蝶形天線能夠工作在兩個(gè)諧振頻率上，不額外改變天線總尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)雙頻工作，增加了發(fā)射頻點(diǎn)，增大了頻帶寬度，降低野外勘察更換天線的頻次。分形技術(shù)是天線領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)，分形天線具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。