探地雷達天線輻射端透鏡的設計

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式透鏡、超材料透鏡和介質平板透鏡進行仿真設計，對天線加載透鏡與否的回波損耗和增益進行對比，研究發現，加載不同的透鏡均可提高天線增益.?三種透鏡均具有結構簡單、成本低、易加工的優勢，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域共同關注的問題，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，如常見的介質凸透鏡。介質凸透鏡原是一種用于使光線聚焦的光學器件，用于天線設計時，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透鏡折射后轉變為口徑面的平面波，從而極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]。這一關鍵技術使得整個系統的探測深度最深可達4km。國內西安電子科技大學設計了介質透鏡加載的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，加載介質透鏡會引入嚴重的振鈴效應，波形失真嚴重。并且當在低頻段設計介質透鏡或組陣時，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。

本文對圓環式透鏡、超材料透鏡和介質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。三種透鏡各具優勢，結構簡單加工方便，適合用于探地雷達天線系統的優化設計，為提高地下目標的探測深度提供了新方法。

1??圓環式透鏡

1.1??圓環式透鏡結構

圓環式透鏡是一種填充高相對介電常數介質材料的凹槽型透鏡，其思想來源于光學小孔衍射現象。結構如圖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為10的無耗氧化鋁，填充材料可選用相對介電常數為850的陶瓷材料，由此可以得到最大場強增強效果。

1.2??圓環式透鏡性能

將圓環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的回波損耗結果，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??超材料透鏡的結構

超材料透鏡是一種人工設計的等效介質，由周期重復的超材料結構單元印刷在介質板上構成，可以使其等效相對介電常數和磁導率為負數。超材料結構單元如圖5所示，基板材料可選取相對介電常數為4.3的FR-4板材，上面印刷粗細不同的金屬折線結構，此結構可以實現在寬頻帶內聚焦效果，從而提高系統增益。將超材料單元周期重復排列，如圖6中由42個超材料單元構成超材料透鏡的整體結構。

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的性能。

圖7為加透鏡與不加透鏡兩種情況下系統的回波損耗結果，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的回波損耗，甚至會改善回波損耗的結果，使得系統的匹配更佳。

在增益方面，如圖8所示，加透鏡后天線的增益在全頻段內均得到了提高，在300MHz時增益提高了1.5dB，結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，介質印刷工藝簡單成熟，超材料結構性能優越，可以用于探地雷達天線的優化設計。

3??介質平板透鏡

3.1??介質平板透鏡的結構

介質平板透鏡由介質基板上加載與之不同相對介電常數的介質柱構成。需要在高相對介電常數的介質基板上開鑿圓柱形介質小筒，填充低相對介電常數的材料，如圖9所示。此處介質基板選用相對介電常數為100的矩形介質基板，圓柱形介質小筒填充相對介電常數為30的材料。

3.2??介質平板透鏡的性能

將介質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的性能。

圖10為加透鏡與不加透鏡兩種情況下系統的S11結果，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，使用介質平板透鏡能顯著改善增益。

介質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。

結論

三種透鏡各有特點，分別利用了特殊衍射結構、超材料、介質柱加載結構，實現了天線增益的提高。對于阿基米德螺旋天線，圓環式聚焦透鏡的加入幾乎不影響系統的回波損耗，在300MHz時的增益可提高4.87dB。超材料透鏡會改善系統的回波損耗，使得系統的匹配更佳，在300MHz時增益提高了1.5dB。介質平板透鏡影響天線系統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。

國內外最新發展動態：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，用于產生準直、相干、聚焦的電磁波，國內僅有西安電子科技大學李慧敏等人設計了介質透鏡加載的TEM喇叭天線和加載超材料透鏡的屏蔽蝶形天線。）

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