用于探地雷达的超宽带天线设计与仿真

尹 诗 ，郭 伟

（1.中国科学院微波遥感重点实验室国家空间科学中心，北京100190；2.中国科学院大学北京100049）

探地雷达是一种对浅层地下目标实现无损探测的工具，其应用从最初的对冰层厚度的探测，现已遍及城市建设、交通、考古、农田、国防乃至空间探测领域，具有广阔的市场前景。

天线作为探地雷达系统中至关重要的一部分，直接影响着整个系统的性能。脉冲体制或步进频率体制的探地雷达系统要求天线具有良好的辐射特性和宽带特性。常用的超宽带天线类型有：蝶形天线（及其变形）[1-4]、喇叭天线[5，6]、TSA 天线[7-9]。喇叭天线带宽大，阻抗特性好，但其三维结构限制了它的应用场合；TSA天线则多用于1 GHz以上频段；蝶形天线（及其变形）具有平面结构，阻抗带宽大，能较好的兼顾瞬时带宽、信号保形以及有效辐射等方面的性能，加工简单，制造成本低。因此，探地雷达系统的收发天线常以蝶形天线为基础进行设计。

文中设计了一种三面背腔屏蔽的特殊形状平面偶极子天线。以蝶形天线为基础，采用结构加载的方式，在天线臂两侧加载椭圆臂，并在天线臂末端加半圆臂，改善了天线表面的电流分布，从而有效降低了天线末端电流的反射，使天线的输入阻抗曲线变得更加平坦。天线工作在100～480 MHz频率范围内，在低频段具有超宽带的特性。

1 天线设计方法

1.1 天线形状

目前，蝶形天线（及其变形）广泛采用末端加载[10-11]和分布式加载[12-14]方式，虽然能够在一定程度上吸收天线末端电流的反射，进而改善天线的输入阻抗特性，展宽天线工作带宽，但是，由于电阻是耗能元件，加载之后会降低天线的辐射效率。因此，可以考虑对天线臂进行结构加载。

蝶形天线具有和双锥天线相似的电性能，设计长度如公式（1）和（2）所示：

公式（1）中λ为天线低频段波长，Zc为天线的特性阻抗，θ为天线臂张角。由式（1）和式（2）可知：蝶形天线的张角越大，它的频带就越宽，越利于实现天线端口处的阻抗匹配。

在天线臂尖锐顶点处加圆角能够改善天线辐射表面的电流分布，在改善插入损耗的同时能够提高天线方向图在高频段的稳定性，同时可以使天线输入阻抗曲线变得更加平坦。文献[15]提出的“球根型”概念也表明将天线臂圆弧化（结构加载）能够拓宽天线的阻抗带宽，与电阻加载等其它方法相比，天线辐射效率高，利于实现小型化。

综合以上问题考虑，在传统蝶形天线的基础上，通过在蝶形天线臂两侧加入椭圆形来增大天线的张角，并在天线臂末端加入半圆形天线臂来减小电流在天线臂两端和末端的反射，进而获得更加平稳的阻抗和宽带特性。本文设计的天线形状俯视图和立体图分别如图1和图2所示。天线结构参数及取值如表1所示。

图1 俯视图

图2 立体图

表1 天线结构参数及取值

1.2背腔

偶极子天线属于全向辐射天线，而探地雷达系统要求发射信号的大部分能量都对地辐射，而因此需要通过加入金属背腔来提高天线的对地增益。良好的背腔设计能够有效屏蔽周围背景环境对天线发射和接收信号的干扰，抑制后向辐射的同时增大天线的对地辐射增益，背腔的形状和尺寸将在很大程度上影响天线的辐射性能，因此背腔设计是天线设计中关键的一步。

常用的背腔选用五面金属材料，天线介质基板四周留安装孔，并将天线介质基板固定在金属背腔的敞口面，在腔内添加吸波材料。但是由于天线的H面为全向辐射，电磁波会在金属背腔的侧面进行多次反射，影响天线馈电端口处的阻抗特性，因此本设计中的金属背腔选用三面金属板结构。背腔顶面对下端天线的镜像作用使背腔式天线形成了一个两单元的天线阵，对地面的辐射总场为:

式（3）中E1为天线自身的辐射电场，k为波数，λ为发射信号最强频点对应的波长，h为背腔的高度。当时，天线的对地辐射能量达到Emax=2E1，通过仿真得到背腔高度的最优值。本设计选取h=319mm。

2 仿真结果分析

使用Ansoft公司基于有限元法（Finite Element Method，FEM）方法的HFSS（HighFrequency Structure Simulator）15.0软件，对文中设计的天线进行建模和仿真，通过对天线馈电端口处的阻抗特性曲线、回波损耗、远场方向图的观察和分析来评估天线的性能。

2.1 天线表面电流分布

与本文设计天线具有相同尺寸的蝶形天线如图3所示。和本文设计的天线进行建模和仿真后，得到天线表面电流分布分别如图4和图5所示。

图3 蝶形天线模型

图4 蝶形天线表面电流分布图

从图4中可以看出，蝶形天线的天线臂末端积聚了大量残余电流，这些电流会被反射回去，恶化天线馈电端口处的输入阻抗特性；从图5中可以看出，本文设计的天线，通过在天线臂两侧加椭圆臂，并在天线臂末端加半圆臂进行“弧化”的方法，来引导天线电流的流向，减小了输入电流在天线边缘处的反射，有效地改善了天线辐射表面的电流分布情况。

图5 本文设计天线表面电流分布图

2.2 天线输入阻抗及回波损耗特性分析

将本设计中的天线与相同尺寸的蝶形天线进行仿真得到天线端口输入阻抗特性曲线的实部和虚部，分别如图6和图7所示。

图6 天线端口输入阻抗实部

图7 天线端口输入阻抗虚部

从图6和图7中可以看出，在100～480 MHz频率范围内，对于蝶形天线，其端口输入电阻在100～300 ohms，电抗在0～100 ohms范围内变化，起伏较大，不利于实现阻抗匹配；而本文设计的天线，其端口输入电阻在125 ohms左右，电抗部分很小，较蝶形天线而言，其阻抗特性曲线更加平坦，具有更好的宽带特性。

常用的同轴线的特性阻抗为50 ohms或75 ohms，后期可以通过设计阻抗匹配网络或者使用CPW-CPS形式的宽带巴伦来实现天线馈电端口处的阻抗匹配。

图8和图9分别为天线的反射损耗（Return Loss，S11）曲线和天线的电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）曲线。可以看出，本文设计的天线工作在100～480 MHz频率范围内，相对带宽可达131%，S11<-10 dB，VSWR<2，具有很好的宽带特性。

图8 S11

图9 VSWR

2.3 天线频域辐射特性分析

在HFSS软件中搭建模拟自由空间环境的空气盒子，仿真后得到天线在不同频点处的归一化E面辐射方向图，如图 10（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示。从图10中可以看出，本文设计的天线主瓣宽，后向辐射小，具有良好的对地辐射特性。由于未使用电阻加载，在100～480 MHz频率范围内，其辐射效率接近100%。在480 MHz频点处，天线的的主瓣已经很窄了，达到了设计极限。

图10 归一化E面辐射方向图

在天线的中心工作频率290 MHz处，天线的E面增益曲线如图11所示。从图11中可以看出，本文设计的结构加载型天线，其增益高达4.39 dBi，而对于分布式电阻加载型的蝶形天线来说，增益仅有-7 dBi[16-19]。这充分证明了结构加载方法比电阻加载方法更优越。

图11 290 MHz处E面增益曲线

3 结 论

文中探地雷达系统设计了一种三面背腔屏蔽的特殊形状平面偶极子天线，主要通过结构加载方法对传统蝶形天线进行改进，运用三维电磁仿真软件从仿真的角度验证了将天线臂“弧化”的方法可以改善天线表面的电流分布，得到比蝶形天线更加平坦的输入阻抗特性曲线和更优异的辐射特性。仿真结果表明，本文设计的天线可工作在100～480 MHz频率范围内，符合探地雷达系统要求。其端口输入阻抗在125 ohms左右，利于实现阻抗匹配。

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