超宽带探地雷达天线的研究与设计初探

摘 要：近年来，探地雷达在很多领域得到应用，已经成为被地球物理学界和考古学界所广泛应用的一项探测技术，它通过向地下发射高频电磁波来产生覆盖率较大的频谱，接受地下信息。同时根据电磁波反射回来的波形变化与时长，对地下媒质构造、地下目标等进行探测、定位和识别。超宽带探地雷达在进行探测之时，能够获得较高的时空分辨率，成为目前透视成像探测技术的一大热点。本文主要针对超宽带探地雷达中的三种天线进行研究与设计的讨论。

关键词：超宽带探地雷达；接收天线；研究设计

探地雷达是一种对地下结构进行探测的工具，以无损探测的优势被广泛应用于考古、地球物理研究、道路与桥梁的质量评估等方面。超宽带探地雷达结合了探地雷达与超宽带雷达的各种优势，在地质、桥梁等探测中起到了重要作用。超宽带探地雷达中，收发天线是接收和发射电磁波的重要媒介，能够通过对接收到的电磁波进行分析与处理，来探测地下环境，所以在超宽带探地雷达中，收发天线的重要性不言而喻[1]。

1 超宽带探地雷达天线的理论基础

探地雷达同其他类型雷达相同，都是由发射模块、收发天线、接收模块、主控制、显示模块等因素构成的。探地雷达通过天线系统向被探测地辐射电磁波，当电磁波与不连续的介质相撞的时候会发生反射，则电磁波信号会随着遭遇介质的不同产生不同的波形变化。通过接收处理电磁波信息，以透视成像的形式来还原地下介质情况，结合反射电磁波的时长，分析地下探测目标的大概位置与大概形态。

在超宽带探地雷达系统中，接收天线是通过将接收到的自由空间波转化为高频电磁波，通过雷达系统进行分析与处理。而与之相反的是，发射天线是通过对高频电磁波进行自由空间波的转换来进行发射的。在雷达系统中，天线能够以在辐射状态下的任意频率上输入阻抗Za（jω）和复归一化方向图D（jω，θ，φ）来进行描述[2]。

2 超宽带探地雷达天线的研究与设计

超宽带天线的功能是发射并接收超宽带无线电波，是任何超宽带雷达或通讯系统都不可或缺的部分。目前，在探测工程的应用中，常用的天线类型有V型天线、螺旋天线、偶极子天线等。以下将对偶极子定向天线、领结偶极子天线和阿基米德螺旋天线的设计进行研究与讨论。

2.1 偶极子定向天线设计

定向天线需要满足在S11<5dB时的带宽大于70180MHz，要求大于10的波形峰压与拖尾幅度比值，和不低于3dB的主瓣增益，前后比要大于4，后向增益相较于前向增益要小于19dB。

对于偶极子定向天线的设计，我们首先采用Wuking的电阻加载方式，通过CST电磁仿真软件建立模型并进行仿真模拟，从而缩小天线尺寸。同时以玻璃钢作为加载介质进行包裹，以保证天线的强度和承压能力[3]。

偶极子天线是由两侧对称的金屬铜柱构成的，在每个铜柱中分为八段小铜柱，将离馈电点较近的一节进行处理成锥形，以增加天线的带宽，每一小节之间进行电阻加载，并以PVC材料进行包裹，起到固定作用。

偶极子定向天线的激励信号一般使用一阶高斯脉冲微分信号，其表达式为：

U（t）=（t-10）e-03（t10）2

天线在不加电阻时，其辐射波形拖尾幅度较大，持续时间较长。而在天线加载电阻时，天线的拖尾幅度与持续时间会得到很好的控制。

2.2 领结偶极子天线优化设计

作为探地雷达的关键系统，收发天线必须具备较宽的频带宽度、较为平坦的天线增益和较小的带宽内天线输入阻抗变化，以此来完成对宽频带的信号进行完全接收。

领结偶极子天线在常规探地雷达系统中的应用较多，与常规偶极子天线相比，领结偶极子天线在频带宽度、辐射效率方面具有较大优势。

我们对领结偶极子天线进行符合加载和优化，设计了一种小型的领结偶极子天线。通过数据模拟，发现优化设计后的领结偶极子天线较之优化设计前的领结偶极子天线有更宽的频带宽度。优化后的领结偶极子天线的带宽在原基础上增加了37%，天线本身的宽度却缩小了二分之一。

优化设计的领结偶极子天线采用弧形过渡设计，其长度主要是依据天线最低点应用频率进行设计。对于天线来说，振子越长则其低频性能越好。领结天线的设计长度为：

L=λ[]41-9782[]ZC（λ：天线低频段波长，Zc：天线的特性阻抗，

Zc=120lnctgθ[]4）[4]。

2.3 阿基米德螺旋天线设计

阿基米德螺旋天线一般包括辐射器、宽带匹配巴伦和反射腔。在辐射器的设计中，参数a的计算公式为τ（r）=e-2πar2，在设计时，取主辐射边界处τ=0.4，使能量在通过主辐射区时衰减度小于16dB。

阿基米德螺线天线的外径和内径分别影响了天线的低频性能和工作频率。即C=2πρ2≥1.25λmax。

通过数据模拟，选择介电常数ρ1=10mm，并将天线的螺旋线设置在20圈以上，以此提高天线带宽性能。

依据天线设计所要求的带宽，采用指数渐变线阻抗变换器，并通过微带巴伦来实现不平衡与平衡之间的转换。

根据以上设计方案，经过数据分析与模拟计算，我们将阿基米德螺旋天线的内径设定在10mm，外径设定在50mm，螺旋线的圈数设定在25圈，即可达到1.2GHz的中心频率，和08GHz—2.5GHz的频率范围。

3 结语

持续发展的科学技术、不断提高的生活水平和不断增长的人口数量，决定了当今社会对于能源、矿产资源的需求量大幅提高。本文讨论了偶极子定向天线、领结偶极子天线和阿基米德螺旋天线三种天线的设计与研究，并希望通过对超宽带探地雷达天线的设计，优化频带宽度，增强辐射效率，为超宽带探地雷达在能源探测、通讯领域、矿产资源勘探等方面的应用起到帮助。

参考文献：

[1]李雪萍，纪奕才，卢伟，方广有.超宽带低背腔车载探地雷达收发天线的研究[J].电子学报，2014，08：15771581.

[2]窦浩容.超宽带探地雷达设计[D].西安工业大学，2014.

[3]张建伟.超宽带探地雷达天线的研究与设计[D].电子科技大学，2016.

[4]彭宇，王蕾，郭福强，胡通海.一种超宽带小型化探地雷达天线的设计[J].物探与化探，2014，04：750753.

作者简介：许小玲（1981），女，江苏徐州人，毕业于四川大学，硕士，中级工程师，研究方向：天线设计。