用于埋地管道探測的Vivaldi超寬帶天線設(shè)計

劉永濱，張季娜，杜 華，徐 哲，王 冠

(1.中石油昆侖燃氣有限公司 燃氣技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150010；2.中國石油集團工程材料研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 概述

市政地下管線是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，隨著城市的快速發(fā)展，存在城鎮(zhèn)燃氣管道設(shè)計圖紙破損、標志物遺失、標志物不明等現(xiàn)象，導(dǎo)致部分管道連接關(guān)系不明、位置失蹤，給管道維護帶來極大不便，給周圍居民帶來嚴重的安全隱患，查明地下管道位置具有重大的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。

近年來，高密度電阻率法、地震映像法、瞬變電磁法等眾多物探方法被應(yīng)用在城市勘察中。由于城市環(huán)境中存在大量瀝青、混凝土路面或者狹小場地，物探方法在城市使用過程中受到了極大的限制，而探地雷達探測系統(tǒng)作為一種淺地表目標探測方法，具有小型化、使用場景多元化、無損探測等多方面優(yōu)點。探地雷達向探測區(qū)域發(fā)射電磁脈沖，脈沖信號在地層傳播時，由于介質(zhì)的變化會產(chǎn)生不同的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)，部分能量被反射回地面，對回波信號做進一步分析，可實現(xiàn)目標的檢測、識別和定位[1]。因此，探地雷達探測系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探[2]、工程質(zhì)量檢查[3]、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查[4]等領(lǐng)域，具有重要的工程應(yīng)用價值和經(jīng)濟價值。

發(fā)射天線和接收天線是探地雷達探測系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，用于發(fā)射和接收電磁波信號，其性能對探地雷達的探測能力產(chǎn)生決定性的影響。本研究設(shè)計了一種高指向性、超寬帶的天線，并通過軟件仿真模擬、實驗驗證等手段，驗證了所設(shè)計的超寬帶天線的工作帶寬及信號收發(fā)特性，為埋地聚乙烯管探地雷達探測系統(tǒng)的開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

2 探地雷達的工作原理

探地雷達的工作原理為：發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波脈沖信號，地下介質(zhì)及目標將電磁波反射，反射電磁波被接收天線接收，見圖1。接收天線將接收到的反射電磁波信號傳遞給采樣系統(tǒng)，采樣系統(tǒng)處理后形成探測區(qū)域的雷達成像圖[5]。電磁波入射到探測區(qū)域時，在不同介質(zhì)的分界面處會產(chǎn)生反射和透射，兩層介質(zhì)之間介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的差別越小，界面損耗越小，透射出去的能量越大[6]。

圖1 探地雷達的工作原理

發(fā)射天線和接收天線的工作帶寬是探地雷達探測系統(tǒng)的重要參數(shù)。不同類型的天線具有不同的工作帶寬，工作帶寬不同的天線發(fā)射信號和接收信號的能力不同[7-11]。發(fā)射天線工作帶寬越寬，代表其工作范圍越大，但是其在工作帶寬中的每個工作點的輻射能量越??；接收天線工作帶寬越寬，代表其接收信號的能力越強，但接收的噪聲信號也越多，后期信號處理的難度越大。因此，優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，設(shè)計合理工作帶寬是天線設(shè)計的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)的超寬帶天線具有低色散的輻射特性，不具備良好的輻射能力，因此，設(shè)計一款輻射能力良好的超寬帶天線具有重要的實際意義和工程價值。

3 超寬帶天線設(shè)計與測試分析

3.1 超寬帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)項目要求和技術(shù)原理分析，本研究對工作頻率在200 MHz左右的Vivaldi天線進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，改善天線輻射性能，提升天線輻射增益，使得天線具有較高的輻射功率，增加探測深度。

Vivaldi天線是一種平面天線，結(jié)構(gòu)見圖2，介質(zhì)基板的上表面為天線的收發(fā)主體結(jié)構(gòu)，由逐漸張開的指數(shù)型曲線槽形成錐削槽輻射臂，指數(shù)型曲線槽從饋源點到末端口徑逐漸展寬，形成類似喇叭口的結(jié)構(gòu)，沿著展寬的方向?qū)崿F(xiàn)阻抗變換。介質(zhì)基板的下表面通過微帶線與同軸電纜相連。Vivaldi天線是一種典型的行波天線，電流沿著槽線附近不斷向前流動，末端的電流反射非常微弱，理論上可以具有很寬的阻抗帶寬，在探測雷達工程中有很多應(yīng)用。

圖2 Vivaldi天線結(jié)構(gòu)

選定天線的預(yù)期工作頻率在200 MHz左右，在該頻率下，天線的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)當(dāng)和系統(tǒng)的饋源信號相匹配。因此，天線的設(shè)計主要考慮以下方面。

① 選擇合適的介質(zhì)基板材料。綜合考慮制造工藝、加工成本、材料特性等多方面因素，本研究采用FR-4材料作為介質(zhì)基板，相對介電常數(shù)為4.3，介電損耗角正切為0.025，厚度為1 mm。

② 設(shè)計并優(yōu)化Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)特點，天線的寬度b1受到指數(shù)型曲線槽的開口方向和延伸方向的影響，一般取最低頻率對應(yīng)波長的1/2左右，而指數(shù)型曲線槽的延伸長度L一般需要大于最低頻率對應(yīng)的波長，并且當(dāng)L增加時，天線的方向性會有所提升。因此，利用CST電磁仿真軟件對天線的結(jié)構(gòu)尺寸進行仿真模擬研究，優(yōu)化并確定天線的尺寸。

③ 確定信號饋源部分的結(jié)構(gòu)尺寸?？紤]到電磁波信號通過微帶線與同軸電纜相連，因此要考慮中心頻率處的特征阻抗能夠與饋源相匹配。一般諧振腔的周長取中心頻率對應(yīng)波長的1/4左右。

按照以上設(shè)計步驟，在CST電磁仿真軟件中優(yōu)化確定工作頻率在200 MHz的Vivaldi天線的最優(yōu)尺寸，優(yōu)化后的天線尺寸見表1?？紤]到饋線處的阻抗應(yīng)與直接相連的50 Ω同軸電纜相匹配，通過理論計算及仿真優(yōu)化，微帶線寬度設(shè)計為1.88 mm。利用電路板印刷工藝加工的Vivaldi天線實物見圖3。

表1 優(yōu)化后的Vivaldi天線尺寸

圖3 Vivaldi天線實物

3.2 超寬帶天線性能測試與分析

① 頻域工作帶寬測試與分析

回波損耗是表示天線發(fā)射效率的重要參數(shù)，回波損耗越大，天線輻射效率越差。利用中國電科院第41所的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(設(shè)備型號：AV36580A)對天線的性能進行測試，將仿真結(jié)果與測試結(jié)果進行對比分析，見圖4。根據(jù)天線信號要求，一般回波損耗小于-10 dB的頻率才可作為工作頻率，用于信號的收發(fā)。從圖4可以看出，天線實測的工作頻率為160～530 MHz，絕對帶寬為370 MHz，相對帶寬為107%；仿真模擬的工作頻率為170～590 MHz，絕對帶寬為420 MHz，相對帶寬為110.5%。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)對超寬帶天線的定義，超寬帶天線為相對帶寬大于20%或者絕對帶寬大于500 MHz的天線。可見，所設(shè)計的天線滿足超寬帶天線的定義。另外，從圖4可以看出，實測結(jié)果的工作頻率范圍略小于仿真結(jié)果，并且向低頻偏移。分析認為，加工誤差、測試環(huán)境以及電學(xué)阻抗匹配對所設(shè)計的天線性能的影響在可接受范圍內(nèi)。

圖4 Vivaldi天線回波損耗仿真與實測數(shù)據(jù)對比

② 時域信號測試與分析

在CST電磁仿真軟件中，在天線主輻射方向正前方距離1 m處設(shè)置信號探針，信號探針收到的天線發(fā)射信號仿真圖譜見圖5。根據(jù)文獻[12]的計算方法計算，可得天線發(fā)射信號的保真系數(shù)為78.70%，拖尾度為2.9%，幅度峰值為46.095 V。

在實驗室搭建天線檢測平臺，將發(fā)射天線與接收天線間隔1 m相對放置，將信號源通過衰減器連接到發(fā)射天線，將接收天線連接Tektronix示波器(型號：DPO 70604)，實驗測試環(huán)境見圖6。接收天線接收信號實測圖譜(軟件截圖)見圖7。由于測試時裝配有2個天線，獲取的結(jié)果是發(fā)射天線和接收天線共同工作時接收到的回波，相當(dāng)于源信號經(jīng)過了2次微分，理想的波形主脈沖應(yīng)該是一個二階的高斯脈沖信號。對比圖5和圖7可以發(fā)現(xiàn)，仿真圖譜與實測圖譜的形狀并不完全相同，但二者在時間寬度上基本一致，單從圖上來看接收天線實測信號并未發(fā)生太大畸變，但實測信號相比仿真信號存在2個幅度略高的拖尾信號，拖尾信號幅度相比主幅值較小。這與天線的印刷工藝形成的電磁耦合振蕩以及測試環(huán)境有關(guān)，但誤差并不嚴重，在工程可接受范圍內(nèi)。

圖5 天線發(fā)射信號仿真圖譜

圖7 接收天線接收信號實測圖譜(軟件截圖)

圖8 探測系統(tǒng)裝配

4 工程驗證

為了方便現(xiàn)場檢測，將接收天線和發(fā)射天線裝入利用3D打印的ABS塑料外殼中，裝配見圖8，將接收天線和發(fā)射天線平行置于外殼兩側(cè)，并用卡槽固定。在整體結(jié)構(gòu)中間用碳纖維板對整體框架結(jié)構(gòu)加以固定并隔開，在上側(cè)蓋板內(nèi)放置信號源和天線信號連接頭，分別連接到發(fā)射天線和接收天線上，用于饋源信號的輸入和接收信號的輸出。在天線與這些部件之間同樣采用碳纖維板分隔，并在中間的空隙處填充吸波材料以降低天線之間的直接耦合，提升信號隔離度。

圖9 探地雷達成像圖

在城市相對開闊、干燥的環(huán)境下，在混凝土路面上對所設(shè)計的探地雷達天線進行探測性能驗證，得到的探地雷達成像圖見圖9。該路面下方埋有DN 160 mm的聚乙烯管道，設(shè)計埋深為1.2 m。從圖9可以看出，該超寬帶天線在干燥的城市環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)約5 m的探測深度，可有效識別埋深約為1 m的聚乙烯管道，滿足工程需求。

5 結(jié)論

根據(jù)項目需求設(shè)計了工作頻率為200 MHz、探測深度可達5 m的Vivaldi超寬帶天線，通過CST電磁仿真軟件仿真和實驗測試，驗證了所設(shè)計的天線的頻域工作帶寬特性和時域信號特性，仿真和實測結(jié)果基本吻合。通過在城市環(huán)境中實際測試，驗證了所設(shè)計的天線在工程實際應(yīng)用場景中的探測性能滿足工程需求。