探地雷达阻性加载天线的应用研究

王友成 张锋 纪奕才 叶盛波 方广有 张晓娟

(1.中国科学院大学,北京 100190;2.中国科学院电子学研究所电磁辐射与探测技术重点实验室,北京 100190)



探地雷达阻性加载天线的应用研究

王友成1,2张锋2纪奕才2叶盛波2方广有2张晓娟2

(1.中国科学院大学,北京 100190;2.中国科学院电子学研究所电磁辐射与探测技术重点实验室,北京 100190)

阻性加载技术可以有效拓展天线带宽、降低时域振铃．该文以双纽线构成平面印制天线的辐射臂,分析阻性加载对其频域和时域特性的影响．通过数值仿真,讨论了天线在两种阻性加载方式下阻抗带宽和时域波形的变化．设计了一款指数型微带转平行双线的巴伦,并对巴伦和天线进行了加工及测试．测量结果表明,天线时域波形拖尾振铃小于10%;在0.8～6 GHz频带内,天线单元回波损耗小于-10 dB． 将天线与雷达收发系统集成后,进行地下目标探测实验．雷达探测结果成像清晰、浅层目标分辨率较高．该天线具有超宽带、低振铃、紧支撑等特点, 可满足便携式探地雷达的工程化应用需求．

探地雷达(GPR);天线;超宽带(UWB);阻性加载;紧支撑

DOI 10.13443/j.cjors.2015072001

引 言

时域短脉冲技术具有超宽带、高分辨的特点,以时域短脉冲技术为基础的探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR),在地下管线及空洞探测方面具有广泛的应用．天线是GPR一个关键的子系统,作为发射部件时,将雷达发射信号转换为电磁波;作为接收部件时,接收来自目标的散射回波并传递给接收机的采样系统．因此,天线的性能对GPR的探测距离和精度有很大影响．GPR天线通常工作在菲涅尔区或夫朗和费区,时域波形的拖尾与浅层目标信号叠加,不利于浅层目标信号的提取,所以天线时域波形应具有较低的拖尾振铃．在工程应用中,天线应具有紧支撑的结构,以利于GPR的作业．目前,应用于GPR的天线形式主要包括半波偶极子、Vivaldi、喇叭天线、双锥天线等[1-5]．具有平面结构的半波偶极子,包括蝶形结构、半椭圆结构、圆形以及各种改进型[6-9]．半波偶极子的方向图在E面呈8字形波束,在H面近似全向．为了抑制雷达后向辐射和屏蔽外界电磁干扰,此类天线通常引入金属背腔．具有窄带谐振特性的金属背腔,一方面限制了天线的阻抗带宽;另一方面,金属背腔内壁的多次反射也增加了天线辐射波形的振铃．为了减小振铃,一般对天线进行阻性加载[10]或阻容混合加载[11-12]．由于阻性加载易于实现,本文围绕阻性加载技术,针对双纽线型半波偶极子天线,比较了吸波材料和电阻两种加载方式的效果．通过数值优化构成天线臂曲线的参数,设计并加工了一款吸波材料加载的背腔式天线．其中,馈电部分为指数型微带转平行双线的巴伦．测试结果表明该天线具有超过6∶1的相对带宽．将收发天线并排置于室内沙坑平台进行时域特性测试,用雷达发射机对其中一个天线馈入单周期脉冲信号,用另一个天线接收并由示波器采集数据．时域测试结果表明,天线辐射波形具有较低的时域振铃．将天线与雷达收发系统集成后,进行外场实验．雷达B-scan图表明目标探测成像清晰．测试及实验结果均有效地验证了设计思路,并且证明该天线能够有效地应用于近地表目标探测．

1 天线设计及分析

1.1 天线结构及加载技术

图1 天线模型

(a) 顶层

(b) 底层图2 巴伦模型

1.2 数值模拟

GPR天线通常工作在近地表,目标媒质及作业环境对天线的辐射特性具有一定的影响．将收发天线单元集成到雷达系统中,天线单元的特性也会发生一定变化．通过数值模拟,本节讨论了两种加载方式下天线的频域和时域特性．

首先,比较两种加载方式下天线的阻抗带宽．将天线分别置于对空和贴近地面(对地)两种场景进行仿真,仿真软件为ANSYS HFSS 13.0．地面参数设置为:介电常数为7,电导率为0.005 S/m．电阻加载阻值为220 Ω,吸波材料介电特性如§1.1所述．图3为两种加载方式下,天线对空和对地回波损耗的仿真结果．从图3可以看出,吸波材料加载方式使得天线的回波损耗在0.5～6 GHz频带内均小于-10 dB,并且变化缓慢．在电阻加载方式下,回波损耗在部分频点具有较好的特性,但在其它频点形成了阻带．比较对空和对地两种场景,地面的分布加载效应改善了天线的低频段阻抗带宽特性．改变电阻加载的阻值,回波损耗随阻值变化结果如图4所示．在图4中,电阻加载的阻值从160 Ω变化到280 Ω时,回波损耗基本保持不变．在低频段,加载阻值越大,回波损耗越低．说明对于本文中双纽线形式的偶极子天线,仅靠天线臂末端的电阻加载的方式,较难获得宽频带的特性．从阻抗带宽来看,吸波材料加载的方式明显优于电阻加载方式．为进一步比较在两种加载方式下天线的时域特性,利用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)(Wavenology 1.80)方法仿真天线的时域辐射波形．分别仿真了天线E面(xoz)和H面(yoz),在半径为200 mm、步进角度为30°观察点的波形,此处取电场沿x轴分量．两种阻性加载方式辐射波形仿真结果如图5～8所示．首先比较E面仿真结果,可以看出吸波材料加载的天线时域波形具有很低的拖尾,在主辐射脉冲之后振荡很小．电阻加载的天线时域波形拖尾振铃明显．在观察点为0°处,时域波形在1.6 ns处出现较大的拖尾．这种拖尾与浅层目标信号混叠在一起时,不利于目标信号的提取．两种阻性加载方式的H面波形仿真结果与E面具有类似的趋势．观察点从0°度到180°时,波形幅度逐渐减小．从图中可以看出,电阻加载比吸波材料加载的天线辐射波形峰值要大．观察点在0°、半径为200 mm 处, 其时域波形的峰值比为2.6．两种阻性加载方式的天线波形峰值前后抑制比分别为23.9 dB和15.7 dB．这说明吸波材料加载方式的天线在获得高保真度的辐射波形时,牺牲了天线的辐射效率．

图3 仿真两种加载方式天线回波损耗

图4 仿真电阻加载回波损耗随阻值变化

图5 E面吸波材料加载时域波形仿真结果

图6 E面电阻加载时域波形仿真结果

图7 H面吸波材料加载时域波形仿真结果

图8 H面电阻加载时域波形仿真结果

2 天线测试及实验结果

将天线和巴伦加工后,采用安捷伦矢量网络分析仪N5242A进行了测试．图9为巴伦实物．巴伦背对背测试结果如图10所示．在单只巴伦插入损耗(S21)小于3 dB和回波损耗(S11)小于-10 dB时,巴伦的带宽优于6∶1(0.5 ～ 6 GHz)．将巴伦与天线集成,并对天线进行测试．测试时,将两个天线肩并肩置于离地约1 m高的发泡材料上(对空)或贴近地面(对地)．S参数测试结果如图11所示．在0.8～ 6 GHz频带内,天线回波损耗小于-10 dB．对地时,由于地面为损耗介质,具有分布加载效应,天线的回波损耗相比对空时更低．从图11中也可以看到,天线的隔离度在通带内优于30 dB,这说明收发天线的间距及金属背腔的尺寸选择是合理的．图12为天线测量的时域波形．将收发天线置于沙坑表面, 用发射机对其中一个天线馈入单周期的信号．单周期信号的中心频率为2 GHz, 归一化幅度如图12(左图)所示． 接收天线的波形通过同轴电缆接到高速数字示波器．由于发射机幅度较大,接收波形经过衰减器后接入示波器．从接收天线的波形可以看出,时域拖尾振铃小于10%．将天线与雷达收发系统集成后,在某水泥路面进行外场实验．雷达测试B-scan如图13所示．在图13中,雷达对地下的目标探测成像具有较高分辨率,可以看到不同类型的目标回波．其中,椭圆线框的部分是位于22 ns处的目标回波．

图9 巴伦实物的正面和反面

图10 背对背实测结果

图11 吸波材料加载天线对空和对地实测结果

图12 吸波材料加载天线时域波形实测结果

图13 雷达实验B-Scan

3 结 论

以双纽线构成平面印制偶极子天线辐射臂,利用数值模拟,讨论了两种阻性加载方式对天线频域和时域特性的影响．最后,对指数渐变式巴伦和吸波材料加载天线进行了加工和测试．测试结果表明,天线在0.8～6 GHz频带内,回波损耗小于-10 dB, 时域拖尾小于10%．将收发天线集成到雷达系统中,并应用于某一水泥路面的外场实验．雷达探测结果成像清晰,分辨率高．该天线具有超宽带、低振铃、紧支撑等特点,可满足探地雷达工程化应用的要求．

[1] SHAO J J, FANG G Y, FAN J J, et al. TEM horn antenna loaded with absorbing material for GPR applications[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2014, 13: 523-527.

[2] YANG Y, ZHANG C, FATHY A E. Development and implementation of ultra-wideband see-through-wall imaging system based on sampling oscilloscope[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2008, 7: 465-468.

[3] SHAO J J, FANG G Y, JI Y C, et al. Semicircular slot-tuned planar half-ellipse antenna with a shallow vee-cavity in vital sign detection[J]. IEEE journal of selected topics in applied earth observations and remote sensing, 2014, 7(3): 767-774.

[4] 王琪, 阮成礼, 王洪裕. 任意锥角有限长双锥天线电磁特性的仿真研究[J]. 电波科学学报,2003,18(6): 704-708.

WANG Q, RUAN C L, WANG H Y. Simulation study on the electromagnetic characteristics of the biconical antennas for finite length and arbitrary[J]. Chinese journal of radio science, 2003,18(6): 704-708.(in Chinese)

[5] 邵金进, 纪奕才, 方广有,等. 用于公路检测的超宽带横向电磁波喇叭天线[J]. 电波科学学报, 2014,29(4):723-728.

SHAO J J, JI Y C, FANG G Y, et al. Ultra-wideband TEM horn antenna for road investigation[J]. Chinese journal of radio science, 2014, 29(4): 723-728.(in Chinese)

[6] LESTARI A A, BHARATA E, SUKSMONO A B, et al. A modified bow-tie antenna for improved pulse radiation[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2010, 58(7):2184-2192.

[7] SAGNARD F, REJIBA F. Wide band coplanar waveguide-fed bowtie slot antenna for a large range of ground penetrating radar applications[J]. IET microwaves, antennas & propagation, 2011, 5(6): 734-739.

[8] SARKAR D, SRIVASTAVA K V, SAURAV K. A compact microstrip-fed triple band-notched ultra-wideband monopole antenna[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2014, 13: 396 -399.

[9] 郭晨, 刘策, 张安学. 探地雷达超宽带背腔蝶形天线设计与实现[J], 电波科学学报, 2010, 25(2): 221-226.

GUO C, LIU C, ZHANG A X. Design and implement of an UWB bow-tie antenna with back-covity for ground penetrating radar[J]. Chinese journal of radio science, 2010, 25(2): 221-226.(in Chinese)

[10]CHEN G, LIU R C. A 900MHz shielded bow-tie antenna system for ground penetrating radar[C]//IEEE 13th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR),2010:1-6.

[11]LESTARI A A, YAROVOY A G, LIGTHART L P. RC-loaded bow-tie antenna for improved pulse radiation[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2004, 52(10): 2555-2563.

[12]UDUWAWALA D, NORGREN M, FUKS P, et al. A deep parametric study of resistor-loaded bow-tie antennas for ground-penetrating radar applications using FDTD[J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing, 2004, 42(4): 732-742.

[13]王元坤, 李玉权. 线天线的宽频带技术[M]. 西安电子科技大学出版社,1995.

WANG Y K, LI Y Q. Wire antenna wide band technology[M]. Xi’an: Xi’an Electronic and Engineering University Press, 1995.

王友成 (1986-),男,湖北人,现为中国科学院电子学研究所在读博士生,主要从事超宽带小型化天线设计及研究．

张锋 (1984-),男,山西人,现为中国科学院电子学研究所副研究员,主要从事超宽带天线理论及应用研究．

纪奕才 (1974-),男,山东人,中国科学院电子学研究所研究员,硕士生导师,主要研究方向为超宽带天线、计算电磁学、超宽带雷达．

叶盛波 (1984-),男,湖北人,现为中国科学院电子学研究所副研究员,主要从事超宽带雷达及应用研究．

方广有 (1963-),男,河南人，中国科学院电子学研究所副所长,博士生导师,主要研究方向为超宽带雷达成像理论、方法与技术;月球与深空探测科学载荷技术;探地雷达、地球物理电磁勘探、太赫兹成像等方法与技术．

张晓娟 (1964-),女,山西人，中国科学院电子学研究所研究员,博士生导师,主要研究方向为非均匀媒质电磁散射与逆问题、微波成像新方法及应用、电磁遥感机理、电磁遥感信号处理、电磁遥感系统仿真、天线技术．

Analysis on resistive loaded antenna for GPR application

WANG Youcheng1,2ZHANG Feng2JI Yicai2YE Shengbo2FANG Guangyou2ZHANG Xiaojuan2

(1.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2 Key Laboratory of ElectromagneticRadiationandSensingTechnology,InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

Resistive loading technology could effectively broaden the band of antenna and decreases the later-time ring. An antenna whose arms vary according to lemniscale function is designed, and the influences of resistive loading on the characteristics in both frequency and time domains are investigated. The variation of impedance bandwidth and radiated wave of the antenna related to two kinds of resistive loadings are researched by numerical simulation. An exponential type balun which consists of a microstrip to parallel strip transition is designed for feeding. The measured results of manufactured antenna show that the band of the antenna in which the return loss is less than -10 dB is 0.8-6 GHz, and the later-time ring is small than 10 %. An experiment for detecting the buried targets underground is carried out using the integrated radar system. Experimental results demonstrates high resolution ratio especially for shallow targets. The antenna has the advantages of ultra-bandwidth, low later-time ring, and compact geometry, so it is suitable for the engineering application of the handheld GPR.

ground penetrating radar (GPR); antenna; ultra-wideband (UWB); resistive loaded; compact

10.13443/j.cjors.2015072001

2015-07-20

国家863计划(2012AA121901)； 北京交通行业科技项目(7C1405473)

TN957

A

1005-0388(2016)03-0516-06

I王友成, 张锋, 纪奕才, 等. 探地雷达阻性加载天线的应用研究 [J]. 电波科学学报,2016,31(3):516-521.

WANG Y C, ZHANG F, JI Y C, et al. Analysis on resistive loaded antenna for GPR application [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):516-521. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015072001

联系人： 王友成 E-mail: wangyoucheng99@163.com