超寬帶探地雷達天線的研究與設計初探

摘 要：近年來，探地雷達在很多領域得到應用，已經成為被地球物理學界和考古學界所廣泛應用的一項探測技術，它通過向地下發射高頻電磁波來產生覆蓋率較大的頻譜，接受地下信息。同時根據電磁波反射回來的波形變化與時長，對地下媒質構造、地下目標等進行探測、定位和識別。超寬帶探地雷達在進行探測之時，能夠獲得較高的時空分辨率，成為目前透視成像探測技術的一大熱點。本文主要針對超寬帶探地雷達中的三種天線進行研究與設計的討論。

關鍵詞：超寬帶探地雷達；接收天線；研究設計

探地雷達是一種對地下結構進行探測的工具，以無損探測的優勢被廣泛應用于考古、地球物理研究、道路與橋梁的質量評估等方面。超寬帶探地雷達結合了探地雷達與超寬帶雷達的各種優勢，在地質、橋梁等探測中起到了重要作用。超寬帶探地雷達中，收發天線是接收和發射電磁波的重要媒介，能夠通過對接收到的電磁波進行分析與處理，來探測地下環境，所以在超寬帶探地雷達中，收發天線的重要性不言而喻[1]。

1 超寬帶探地雷達天線的理論基礎

探地雷達同其他類型雷達相同，都是由發射模塊、收發天線、接收模塊、主控制、顯示模塊等因素構成的。探地雷達通過天線系統向被探測地輻射電磁波，當電磁波與不連續的介質相撞的時候會發生反射，則電磁波信號會隨著遭遇介質的不同產生不同的波形變化。通過接收處理電磁波信息，以透視成像的形式來還原地下介質情況，結合反射電磁波的時長，分析地下探測目標的大概位置與大概形態。

在超寬帶探地雷達系統中，接收天線是通過將接收到的自由空間波轉化為高頻電磁波，通過雷達系統進行分析與處理。而與之相反的是，發射天線是通過對高頻電磁波進行自由空間波的轉換來進行發射的。在雷達系統中，天線能夠以在輻射狀態下的任意頻率上輸入阻抗Za（jω）和復歸一化方向圖D（jω，θ，φ）來進行描述[2]。

2 超寬帶探地雷達天線的研究與設計

超寬帶天線的功能是發射并接收超寬帶無線電波，是任何超寬帶雷達或通訊系統都不可或缺的部分。目前，在探測工程的應用中，常用的天線類型有V型天線、螺旋天線、偶極子天線等。以下將對偶極子定向天線、領結偶極子天線和阿基米德螺旋天線的設計進行研究與討論。

2.1 偶極子定向天線設計

定向天線需要滿足在S11<5dB時的帶寬大于70180MHz，要求大于10的波形峰壓與拖尾幅度比值，和不低于3dB的主瓣增益，前后比要大于4，后向增益相較于前向增益要小于19dB。

對于偶極子定向天線的設計，我們首先采用Wuking的電阻加載方式，通過CST電磁仿真軟件建立模型并進行仿真模擬，從而縮小天線尺寸。同時以玻璃鋼作為加載介質進行包裹，以保證天線的強度和承壓能力[3]。

偶極子天線是由兩側對稱的金屬銅柱構成的，在每個銅柱中分為八段小銅柱，將離饋電點較近的一節進行處理成錐形，以增加天線的帶寬，每一小節之間進行電阻加載，并以PVC材料進行包裹，起到固定作用。

偶極子定向天線的激勵信號一般使用一階高斯脈沖微分信號，其表達式為：

U（t）=（t-10）e-03（t10）2

天線在不加電阻時，其輻射波形拖尾幅度較大，持續時間較長。而在天線加載電阻時，天線的拖尾幅度與持續時間會得到很好的控制。

2.2 領結偶極子天線優化設計

作為探地雷達的關鍵系統，收發天線必須具備較寬的頻帶寬度、較為平坦的天線增益和較小的帶寬內天線輸入阻抗變化，以此來完成對寬頻帶的信號進行完全接收。

領結偶極子天線在常規探地雷達系統中的應用較多，與常規偶極子天線相比，領結偶極子天線在頻帶寬度、輻射效率方面具有較大優勢。

我們對領結偶極子天線進行符合加載和優化，設計了一種小型的領結偶極子天線。通過數據模擬，發現優化設計后的領結偶極子天線較之優化設計前的領結偶極子天線有更寬的頻帶寬度。優化后的領結偶極子天線的帶寬在原基礎上增加了37%，天線本身的寬度卻縮小了二分之一。

優化設計的領結偶極子天線采用弧形過渡設計，其長度主要是依據天線最低點應用頻率進行設計。對于天線來說，振子越長則其低頻性能越好。領結天線的設計長度為：

L=λ[]41-9782[]ZC（λ：天線低頻段波長，Zc：天線的特性阻抗，

Zc=120lnctgθ[]4）[4]。

2.3 阿基米德螺旋天線設計

阿基米德螺旋天線一般包括輻射器、寬帶匹配巴倫和反射腔。在輻射器的設計中，參數a的計算公式為τ（r）=e-2πar2，在設計時，取主輻射邊界處τ=0.4，使能量在通過主輻射區時衰減度小于16dB。

阿基米德螺線天線的外徑和內徑分別影響了天線的低頻性能和工作頻率。即C=2πρ2≥1.25λmax。

通過數據模擬，選擇介電常數ρ1=10mm，并將天線的螺旋線設置在20圈以上，以此提高天線帶寬性能。

依據天線設計所要求的帶寬，采用指數漸變線阻抗變換器，并通過微帶巴倫來實現不平衡與平衡之間的轉換。

根據以上設計方案，經過數據分析與模擬計算，我們將阿基米德螺旋天線的內徑設定在10mm，外徑設定在50mm，螺旋線的圈數設定在25圈，即可達到1.2GHz的中心頻率，和08GHz—2.5GHz的頻率范圍。

3 結語

持續發展的科學技術、不斷提高的生活水平和不斷增長的人口數量，決定了當今社會對于能源、礦產資源的需求量大幅提高。本文討論了偶極子定向天線、領結偶極子天線和阿基米德螺旋天線三種天線的設計與研究，并希望通過對超寬帶探地雷達天線的設計，優化頻帶寬度，增強輻射效率，為超寬帶探地雷達在能源探測、通訊領域、礦產資源勘探等方面的應用起到幫助。

參考文獻：

[1]李雪萍，紀奕才，盧偉，方廣有.超寬帶低背腔車載探地雷達收發天線的研究[J].電子學報，2014，08：15771581.

[2]竇浩容.超寬帶探地雷達設計[D].西安工業大學，2014.

[3]張建偉.超寬帶探地雷達天線的研究與設計[D].電子科技大學，2016.

[4]彭宇，王蕾，郭福強，胡通海.一種超寬帶小型化探地雷達天線的設計[J].物探與化探，2014，04：750753.

作者簡介：許小玲（1981），女，江蘇徐州人，畢業于四川大學，碩士，中級工程師，研究方向：天線設計。