用于埋地管道探測的Vivaldi超寬帶天線設計

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展的基礎設施。近年來，隨著城市的快速發展，存在城鎮燃氣管道設計圖紙破損、標志物遺失、標志物不明等現象，導致部分管道連接關系不明、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實意義和經濟價值。

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用在城市勘察中。由于城市環境中存在大量瀝青、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點。探地雷達向探測區域發射電磁脈沖，脈沖信號在地層傳播時，由于介質的變化會產生不同的幅度響應和相位響應，部分能量被反射回地面，對回波信號做進一步分析，可實現目標的檢測、識別和定位[1]。因此，探地雷達探測系統被廣泛應用于礦產勘探[2]、工程質量檢查[3]、災害地質調查[4]等領域，具有重要的工程應用價值和經濟價值。

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

2 探地雷達的工作原理

探地雷達的工作原理為：發射天線向地下發射電磁波脈沖信號，地下介質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，采樣系統處理后形成探測區域的雷達成像圖[5]。電磁波入射到探測區域時，在不同介質的分界面處會產生反射和透射，兩層介質之間介電常數和磁導率的差別越小，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

發射天線和接收天線的工作帶寬是探地雷達探測系統的重要參數。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射信號和接收信號的能力不同[7-11]。發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小；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，優化天線結構，設計合理工作帶寬是天線設計的核心內容。傳統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 超寬帶天線設計與測試分析

3.1 超寬帶天線結構設計

根據項目要求和技術原理分析，本研究對工作頻率在200 MHz左右的Vivaldi天線進行結構優化設計，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，結構見圖2，介質基板的上表面為天線的收發主體結構，由逐漸張開的指數型曲線槽形成錐削槽輻射臂，指數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構，沿著展寬的方向實現阻抗變換。介質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用。

圖2 Vivaldi天線結構

選定天線的預期工作頻率在200 MHz左右，在該頻率下，天線的結構尺寸應當和系統的饋源信號相匹配。因此，天線的設計主要考慮以下方面。

① 選擇合適的介質基板材料。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材料作為介質基板，相對介電常數為4.3，介電損耗角正切為0.025，厚度為1 mm。

② 設計并優化Vivaldi天線的結構尺寸。根據Vivaldi天線的結構特點，天線的寬度b1受到指數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波長的1/2左右，而指數型曲線槽的延伸長度L一般需要大于最低頻率對應的波長，并且當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構尺寸進行仿真模擬研究，優化并確定天線的尺寸。

③ 確定信號饋源部分的結構尺寸。考慮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波長的1/4左右。

按照以上設計步驟，在CST電磁仿真軟件中優化確定工作頻率在200 MHz的Vivaldi天線的最優尺寸，優化后的天線尺寸見表1。考慮到饋線處的阻抗應與直接相連的50 Ω同軸電纜相匹配，通過理論計算及仿真優化，微帶線寬度設計為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射效率的重要參數，回波損耗越大，天線輻射效率越差。利用中國電科院第41所的矢量網絡分析儀(設備型號：AV36580A)對天線的性能進行測試，將仿真結果與測試結果進行對比分析，見圖4。根據天線信號要求，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。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%。根據美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)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，實測結果的工作頻率范圍略小于仿真結果，并且向低頻偏移。分析認為，加工誤差、測試環境以及電學阻抗匹配對所設計的天線性能的影響在可接受范圍內。

圖4 Vivaldi天線回波損耗仿真與實測數據對比

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處設置信號探針，信號探針收到的天線發射信號仿真圖譜見圖5。根據文獻[12]的計算方法計算，可得天線發射信號的保真系數為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射天線，將接收天線連接Tektronix示波器(型號：DPO 70604)，實驗測試環境見圖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，獲取的結果是發射天線和接收天線共同工作時接收到的回波，相當于源信號經過了2次微分，理想的波形主脈沖應該是一個二階的高斯脈沖信號。對比圖5和圖7可以發現，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境有關，但誤差并不嚴重，在工程可接受范圍內。

圖5 天線發射信號仿真圖譜

圖7 接收天線接收信號實測圖譜(軟件截圖)

圖8 探測系統裝配

4 工程驗證

為了方便現場檢測，將接收天線和發射天線裝入利用3D打印的ABS塑料外殼中，裝配見圖8，將接收天線和發射天線平行置于外殼兩側，并用卡槽固定。在整體結構中間用碳纖維板對整體框架結構加以固定并隔開，在上側蓋板內放置信號源和天線信號連接頭，分別連接到發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、干燥的環境下，在混凝土路面上對所設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境中能夠實現約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 結論

根據項目需求設計了工作頻率為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，仿真和實測結果基本吻合。通過在城市環境中實際測試，驗證了所設計的天線在工程實際應用場景中的探測性能滿足工程需求。