探地雷達天線輻射端透鏡的設(shè)計

葛薇 劉闖 元勇虎 朱今祥 陳娟

摘??要??為了提高探地雷達天線的增益，增加地下目標探測的深度，本文提出了在探地雷達天線輻射端加載透鏡的方法.?通過對阿基米德螺旋天線分別加載圓環(huán)式透鏡、超材料透鏡和介質(zhì)平板透鏡進行仿真設(shè)計，對天線加載透鏡與否的回波損耗和增益進行對比，研究發(fā)現(xiàn)，加載不同的透鏡均可提高天線增益.?三種透鏡均具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易加工的優(yōu)勢，除此之外也各有特點，選擇透鏡時，需要綜合考慮探地雷達天線的回波損耗、增益、工作頻率與尺寸大小.

關(guān)鍵詞??透鏡；探地雷達；天線；回波損耗；增益

Design?of?radiation?end?lens?for?ground?penetrating?radar?antenna

Ge?Wei1??Liu?Chuang1??Yuan?Yonghu1??Zhu?Jinxiang1??Chen?Juan2

1.China?Research?Institute?of?Radiowave?Propagation??ShandongQingdao??266107;?2.?Xian?Jiao?Tong?University??ShaanxiXian??710071

Abstract??In?order?to?improve?the?gain?of?ground?penetrating?radar?antenna?and?increase?the?depth?of?subsurface?target?detection，?a?method?of?loading?lens?at?the?radiation?end?of?ground?penetrating?radar?（GPR）?antenna?is?proposed?in?the?paper.?After?we?simulate?the?Archimedes?spiral?antenna?with?toroidal?lens，?metamaterial?lens?and?dielectric?plate?lens?respectively?and?compare?the?return?loss?and?gain?of?the?antenna?loading?with?or?without?lens，?it?is?found?that?the?antenna?gain?can?be?improved?by?loading?different?lenses.?All?the?three?kinds?of?lenses?have?the?advantages?of?simple?structure，?low?cost?and?easy?processing.?In?addition，?they?also?have?their?own?characteristics.?When?selecting?the?lens，?we?should?consider?the?return?loss，?gain，?frequency?and?size?of?GPR?antenna?comprehensively.

Keywords：lens;?GPR;?antenna;?return?loss;?gain

如何提高探地雷達的探測深度是地下目標探測領(lǐng)域共同關(guān)注的問題，而提高天線的增益是提高探深的重要手段。近年來，各國學者嘗試通過在天線輻射端加載透鏡來提高天線增益，如常見的介質(zhì)凸透鏡。介質(zhì)凸透鏡原是一種用于使光線聚焦的光學器件，用于天線設(shè)計時，將弱方向性天線置于透鏡的一個焦點或焦平面上，饋源所輻射的球面波經(jīng)透鏡折射后轉(zhuǎn)變?yōu)榭趶矫娴钠矫娌ǎ瑥亩鴺O大地提高了天線的增益，降低了天線的旁瓣和后瓣。蘇格蘭ADROK公司基于其提出的原子介電共振（ADR）理論設(shè)計了一款可進行深地探測的探地雷達[1-2]。為了使天線輻射出準直、相干、聚焦的電磁波，天線輻射端加載了菲涅爾透鏡[3]。這一關(guān)鍵技術(shù)使得整個系統(tǒng)的探測深度最深可達4km。國內(nèi)西安電子科技大學設(shè)計了介質(zhì)透鏡加載的TEM喇叭天線和加載超材料透鏡的屏蔽蝶形天線[4]，天線增益最高可達11dB。但是，加載介質(zhì)透鏡會引入嚴重的振鈴效應(yīng)，波形失真嚴重。并且當在低頻段設(shè)計介質(zhì)透鏡或組陣時，毫米波透鏡的口徑往往是工作波長的幾倍甚至幾十倍，而低頻段的波長較大導(dǎo)致了透鏡厚度和重量都非常大，不能用于實際探測。

本文對圓環(huán)式透鏡、超材料透鏡和介質(zhì)平板透鏡進行了研究，對阿基米德螺旋天線分別加載這三種透鏡，在探地雷達常用工作頻率200MHz-400MHz范圍內(nèi)進行仿真，研究表明，加載透鏡后天線增益均得到提高。三種透鏡各具優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)簡單加工方便，適合用于探地雷達天線系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，為提高地下目標的探測深度提供了新方法。

1??圓環(huán)式透鏡

1.1??圓環(huán)式透鏡結(jié)構(gòu)

圓環(huán)式透鏡是一種填充高相對介電常數(shù)介質(zhì)材料的凹槽型透鏡，其思想來源于光學小孔衍射現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)如圖1所示，中心為一圓臺，在基板正反兩面的對稱位置開挖寬度、深度相同的同心圓形槽，槽與槽之間具有相同的間距，在凹槽位置填充高相對介電常數(shù)材料，如圖2所示。為使透鏡小型化，基板材料可選用相對介電常數(shù)為10的無耗氧化鋁，填充材料可選用相對介電常數(shù)為850的陶瓷材料，由此可以得到最大場強增強效果。

1.2??圓環(huán)式透鏡性能

將圓環(huán)式透鏡放置于阿基米德螺旋天線的輻射端，分別仿真加透鏡與不加透鏡時系統(tǒng)的整體增益情況。

圖3為加透鏡與不加透鏡兩種情況下系統(tǒng)的回波損耗結(jié)果，可以看出，阿基米德螺旋天線的超寬帶特性在使用透鏡后依然得到了很好的保持，透鏡的加入幾乎不影響系統(tǒng)的回波損耗。

加透鏡與不加透鏡兩種情況下的增益對比如圖4所示，加透鏡后天線的增益在全頻段內(nèi)均得到了提高，特別是在300MHz附近的增益提升最為明顯，可提高4.87dB，說明使用圓環(huán)式聚焦透鏡能顯著改善增益。

2??超材料透鏡

2.1??超材料透鏡的結(jié)構(gòu)

超材料透鏡是一種人工設(shè)計的等效介質(zhì)，由周期重復(fù)的超材料結(jié)構(gòu)單元印刷在介質(zhì)板上構(gòu)成，可以使其等效相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為負數(shù)。超材料結(jié)構(gòu)單元如圖5所示，基板材料可選取相對介電常數(shù)為4.3的FR-4板材，上面印刷粗細不同的金屬折線結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)在寬頻帶內(nèi)聚焦效果，從而提高系統(tǒng)增益。將超材料單元周期重復(fù)排列，如圖6中由42個超材料單元構(gòu)成超材料透鏡的整體結(jié)構(gòu)。

2.2??超材料透鏡的性能

將超材料透鏡放置于阿基米德螺旋天線的輻射端，分析加透鏡與不加透鏡時系統(tǒng)的性能。

圖7為加透鏡與不加透鏡兩種情況下系統(tǒng)的回波損耗結(jié)果，可以看出，阿基米德螺旋天線的超寬帶特性在使用透鏡后依然得到了很好的保持，透鏡的加入幾乎不影響系統(tǒng)的回波損耗，甚至會改善回波損耗的結(jié)果，使得系統(tǒng)的匹配更佳。

在增益方面，如圖8所示，加透鏡后天線的增益在全頻段內(nèi)均得到了提高，在300MHz時增益提高了1.5dB，結(jié)果表明使用超材料透鏡能顯著改善增益。

超材料透鏡為平板形狀，易于加工和安裝，介質(zhì)印刷工藝簡單成熟，超材料結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，可以用于探地雷達天線的優(yōu)化設(shè)計。

3??介質(zhì)平板透鏡

3.1??介質(zhì)平板透鏡的結(jié)構(gòu)

介質(zhì)平板透鏡由介質(zhì)基板上加載與之不同相對介電常數(shù)的介質(zhì)柱構(gòu)成。需要在高相對介電常數(shù)的介質(zhì)基板上開鑿圓柱形介質(zhì)小筒，填充低相對介電常數(shù)的材料，如圖9所示。此處介質(zhì)基板選用相對介電常數(shù)為100的矩形介質(zhì)基板，圓柱形介質(zhì)小筒填充相對介電常數(shù)為30的材料。

3.2??介質(zhì)平板透鏡的性能

將介質(zhì)平板透鏡放置于阿基米德螺旋天線的輻射端，分析加透鏡與不加透鏡時系統(tǒng)的性能。

圖10為加透鏡與不加透鏡兩種情況下系統(tǒng)的S11結(jié)果，可以看出，加入透鏡后對較低頻段的回波損耗會有一定的影響，但在275MHz-400MHz仍舊保持在-10dB以下，能一定程度上保持阿基米德螺旋天線的超寬帶特性。

圖11顯示了加入介質(zhì)平板透鏡與不加透鏡的增益對比圖，可以看出，加透鏡后天線的增益在全頻段內(nèi)均得到了提高，在300MHz附近的增益提升尤為明顯，可達3.3dB。顯然，使用介質(zhì)平板透鏡能顯著改善增益。

介質(zhì)平板透鏡在較低頻段的回波損耗有所欠缺，加載透鏡時需考慮天線的工作頻率。

結(jié)論

三種透鏡各有特點，分別利用了特殊衍射結(jié)構(gòu)、超材料、介質(zhì)柱加載結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了天線增益的提高。對于阿基米德螺旋天線，圓環(huán)式聚焦透鏡的加入幾乎不影響系統(tǒng)的回波損耗，在300MHz時的增益可提高4.87dB。超材料透鏡會改善系統(tǒng)的回波損耗，使得系統(tǒng)的匹配更佳，在300MHz時增益提高了1.5dB。介質(zhì)平板透鏡影響天線系統(tǒng)在較低頻段的回波損耗，在300MHz時的增益可提升3.3dB。三種透鏡均具有尺寸小、剖面低、效果明顯等特征，具有很強的實用價值，在選擇時需綜合考慮天線的回波損耗、增益、工作頻率與尺寸大小。

（創(chuàng)新說明：為了解決探地雷達增益低、探深淺的問題，在探地雷達的低頻天線（選用阿基米德螺旋天線進行仿真，天線中心頻率為200MHz-400MHz）輻射端分別加載三種特殊材料的透鏡，用于提高天線增益。

國內(nèi)外最新發(fā)展動態(tài)：從文獻來看，國外只有蘇格蘭ADROK公司的探地雷達天線端加載菲涅爾透鏡，用于產(chǎn)生準直、相干、聚焦的電磁波，國內(nèi)僅有西安電子科技大學李慧敏等人設(shè)計了介質(zhì)透鏡加載的TEM喇叭天線和加載超材料透鏡的屏蔽蝶形天線。）

參考文獻：

[1]?Gordon?S，?Kees?D.?Large?depth?exploration?using?pulsed?radar[A].?24th?International?Geophysical?Conference?and?Exhibition[C].?Perth，?Australia，?2015.

[2]?Simon?R，?Gordon?S，?Barrett?C.?Gold?and?sulfide?targeting?using?atomic?dielectric?resonance（ADR）[A].?24th?International?Geophysical?Conference?and?Exhibition[C].?Perth，?Australia，?2015.

[3]?George?C?S.?Radar?apparatus?for?imaging?and/or?spectrometric?analysis?and?methods?of?performing?imaging?and/or?spectrometric?analysis?of?a?apparatus?for?substance?for?dimensional?measurement，?identification?and?precision?radar?mapping[P].?USA?patent，?No?6864826，?2005-3-8.

[4]?李慧敏.?探地雷達天線設(shè)計[D].?西安：西安電子科技大學，?2019.

[5]?陳娟，?桑翔遠，?羅曼，?等.?一種低頻段多極化模式天線[P].?中國專利，?ZL?2018?1?1427467.9，2020-3-31.

[6]?Sang?X，?Luo?M，?Ge?W，?et?al.?A?novel?compact?multiple-polarization?modes?antenna[A].2019?IEEE?International?Conference?on?Computational?Electromagnetics?（ICCEM）[C].?Shanghai，?China，?2019.

[7]?Luo?M，?Sang?X?Y，?Ge?W，?et?al.?A?low-profile，?gain-enhancement，?compact?lens?for?UHF?Archimedean?spiral?antenna[A].2019?IEEE?International?Conference?on?Electronic?Information?&?Communication?Technology，?2019.

[8]?K.?van?den?Doel，?G.?Stove.?Modeling?and?limulation?of?low?frequency?subsurface?radar?imaging?in?permafrost[J].?Computer?Science?and?Information?Technology，?2018，?6（3）：40-45.

[9]?王憲楠.?沖擊脈沖探地雷達系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究[D].?長春：?吉林大學，?2018.

[10]?劉穎，?郭立新.?地下埋藏目標與分層粗糙面復(fù)合散射探地雷達回波特性研究[J].?電波科學學報，?2019，?34（1）：?111-118.

[11]?王友成，?張鋒，?紀奕才，?等.?探地雷達阻性加載天線的應(yīng)用研究[J].?電波科學學報，?2016，?31（3）：?516-521.

[12]?鐘順時，?韓榮倉，?劉靜，?等.?介質(zhì)諧振器天線研究進展[J].?電波科學學報，?2015，?30（2）：?396-408.

[13]?田雨波，?譚冠南.?頻率可重構(gòu)超寬帶天線研究[J].?電波科學學報，?2012，?27（2）：?222-226，?306.

[14]?G?C?Stove，?J?McManus，?M?J?Robinson，?et?al.?Invisible?ADR?light?recognition?of?subsurface?rocks?and?rock?successions[A].?71st?EAGE?Conference?&?Exhibition[C].?Amsterdam，?The?Netherlands，?2009.

[15]?趙翠榮，?胡通海，?郭福強.?一種用于混凝土結(jié)構(gòu)探測的探地雷達天線陣列的設(shè)計[J].?物探與化探，?2015，?（3）：?633-636，?640.

[16]?郭士禮，?許磊，?李修忠.?探地雷達在公路路面變形沉降檢測中的應(yīng)用[J].?地球物理學進展，?2018，?33（3）：.1213-1217.

作者簡介：葛薇??（1991—??），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士，中國電波傳播研究所工程師，研究方向：低頻電磁感應(yīng)與探地雷達信號處理技術(shù)。