基于CST的探地雷达定向天线的研究

1 引言

探地雷达天线作为整个雷达系统的发射和接收端，其性能的优劣直接决定了探地雷达系统的性能。常规探地雷达使用全向天线辐射和接收，无法对地质目标进行精确定位。传统方法是通过设计单个定向天线，然后用几个这样的定向天线竖直排列成一条线，如果相邻接收天线主波束间的ψ向夹角为 2π/n，则由n个定向天线排成一列，组成接收天线[1]。

但是这种天线的排列方式，一方面增加了结构的长度，使结构不稳定，并且复杂度增加。本文所采用的阵列方法是可以减少天线结构的复杂度，并且性能和以前的结构复杂天线性能相当并且还有一定的超越。

对于单个定向接收天线，传统方式是利用金属反射、引向或者吸波材料。利用反射板或引向器则需要距离天线至少1/4波长，但是对于工作在米波的天线，尺寸有点大，一般的处理方法是在天线周边填充高介电常数物质[2]。采用单个定向天线的优势是接收易于操作，并且对传输和接收机系统要求也不高，但需要天线系统机械的旋转，而且易发生故障，因此阵列天线接收技术定位精确，因此能够被广泛的应用。

基于此设计了一款小型化、定向性能优异的单极子环形排列的定向接收天线。

2 定向接收天线结构

此定向接收天线天线由三个扇形单极子单元组成，在三个单极子单元背面分别加金属反射板，同时利用介质加载和集总加载使天线具有宽带小型的特点。介质加载是填充相对介电常数较高材料在天线与反射板之间，因为电磁波在相对介电常数εr的介质中传播时，其波长缩短了(εr)^1/2倍，因此天线的长度也对应减少了(εr)^1/2倍，应用此原理可以在天线与反射板之间填充介质来实现天线小型化。本文的整个天线用玻璃钢材料填充，此种介质加载主要有三个好处，一方面可以是整个天线系统结构坚固，以适应地下高温高压环境；另一方面由于高的相对介电常数可以有效的缩小天线的电长度；另外，通过介质加载还可以改善天线系统与钻孔周围高介电常数岩石的阻抗匹配，减少由于阻抗不匹配引起的反射对整个雷达系统的干扰。

天线的仿真模型如图1所示，天线的结构很简单就是由三个扇形辐射极子、反射板，圆形地板以及加载介质四部分组成，整个外形呈现圆柱形，可以用于探地雷达中的钻孔雷达。如图1 (a)所示，单极子单个辐射单元的半径为r0=180mm，中心角θ=120，为了减少末端发射，对扇形边缘进行倒角处理，半径为r1=30 mm，地板半径为r3=42mm，辐射单元与中心的距离x=26mm，三个50欧姆的SMA接头镶嵌在地板上，用来连接同轴线，给天线馈电。

图1

整个天线用玻璃钢材料填充，此种介质加载主要有三个好处，一方面可以是整个天线系统结构坚固，以适应地下高温高压环境；另一方面由于高的相对介电常数可以有效的缩小天线的电长度；另外，通过介质加载还可以改善天线系统与钻孔周围高介电常数岩石的阻抗匹配，减少由于阻抗不匹配引起的反射对整个雷达系统的干扰。

为了扩展天线的带宽、减少拖尾信号、改善天线的阻抗匹配，在天线顶端进行集总加载[4]，加载采用电容C和电阻R串联的方式。通过最终优化仿真确定加载电阻R=20Ω，加载电容C=1200pF。

图2

图3

3 定向天线仿真结果

使用电磁仿真软件将天线置于相对介电常数为8的岩石环境仿真。对3个单极子天线中的一个进行激励，并在该偶极子前后及侧旁设置时域探针来监视空间某些点时域电场波形。仿真得到岩石环境中天线S11如图2所示，S11小于5dB频带为10～304.52MHz，谐振频率点在180.57MHz。

天线辐射波形如图3所示，前向辐射波形和后向辐射波形的峰峰值之比为3.6。前向电场波形拖尾很小，远小于主峰值的1/10。

4 结束语

本文所采用的阵列方法是可以减少天线结构的复杂度，并且性能和以前的结构复杂天线性能相当并且还有一定的超越。设计了一个三方向的定向天线。天线主瓣增益为6.1dB，天线辐射的前向与后向时域脉冲波形峰峰值之比大于3.5，时域电场脉冲波形拖尾小于主峰幅度1/10。可以根据3个端口反射波信号幅度来判断反射物所在方位,结果显示天线的定向效果明显。

[1]梁洪艳.石油钻孔收发天线及其电磁波传输特性研究[D].成都:电子科技大学,2013:27-28.

[2]LARS F.Theory of a directional borehole antenna[C]//Geosciences and Remote Sensing Symposium. Firenze:IEEE,1995:1714-1716.

[3]唐剑明.关于钻孔雷达天线的研究[D].成都:电子科技大学,2013:41-42.

[4]Hong-Yan Liang,Hong-Chun Yang,Member,IEEE,and Jing Zhang.A Cylindrical Conformal Directional Monopole[J].IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETT ERS,VOL.11,2012,1525-1528.