用于衬砌探测的空气耦合探地雷达天线设计

王百泉, 董可欣, 刘昌斌, 陈思宇, 王 华, 刘永胜,谢 韬, 古艳旗, 张安学

(1.中铁隧道局集团有限公司 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室, 广东 广州 511458;2.西安交通大学 电磁与信息技术研究所, 陕西 西安 710049;3.中铁隧道集团二处有限公司, 河北 三河 065201)

0 引 言

隧道衬砌是重要的支护措施, 常见有混凝土开裂、 衬砌厚度不足、 内部空洞等质量问题。 为了保证隧道工程的质量, 及时发现病害并给出防治措施, 隧道衬砌检测领域的研究具有重要的工程意义。 隧道衬砌检测工作可以获得衬砌结构分布、病害等数据, 是评估衬砌混凝土施工质量的主要方式, 也是隧道维修和加固的必要前期工作。 人工敲击法可以有效发现衬砌内部空洞等问题, 工作人员在工程车上匀速前进, 手持检查槌敲击拱顶和拱腰, 通过敲击声音辨别是否存在病害, 但是该方法对人力要求高且检测效率较低。 为了更高效、 更稳定、 更精确地获得检测结果, 可将探地雷达系统应用于衬砌检测。 探地雷达是一种应用电磁波对地下结构进行检测和成像的技术, 具有非接触和非破坏性的特点[1], 适合于衬砌这种大型复杂环境下不可见目标的探测。

目前, 对于衬砌探测雷达已有研究和实际应用, 工程验证了雷达呈现出更完整精确的检测结果[2]。 但是在实际工作中, 雷达天线应该与衬砌表面密贴才能保证检测效果, 这就导致了以下问题: 首先, 检测车上应该搭载足够高、 足够稳定的台架, 不仅要使设备能接触到探测位置, 还要避免台架与衬砌发生剐蹭; 其次, 检测工作必须由专业的工作人员全程手持天线完成, 高空作业带来了人员的安全隐患问题, 并且天线在衬砌表面会难以避免发生滑动、 蛇形移动和脱离等问题,会严重影响检测的质量。 为了解决这些问题, 可以设计机械托举天线的设备以替代人工[3], 也可以设计空气耦合的衬砌检测雷达[4], 空气耦合天线具有较高的偏移距离, 能够增强对道路结构内浅层的检测, 加快检测速度, 更加适合于道路或隧道的工程探测[5], 使雷达在天线与衬砌不相接触的条件下也可以有效工作。 目前, 国内对于空气耦合衬砌检测雷达的技术研究并不成熟, 一方面性能并无明显优势, 另一方面成本控制不易。

常用的雷达天线主要有Vivaldi天线[6]、bowtie天线[7]、TEM 喇叭天线[8]等形式。bow-tie天线是一种典型的地耦合天线。 文献[9]研究了bow-tie天线在地耦合和空气耦合两种条件下的测试效果, 表明该天线在地耦合下表现出更低的直耦和更好的探测效果。 文献[10-12]设计了3种结构不同的TEM 喇叭雷达天线, 使TEM 喇叭天线拥有更宽的阻抗带宽, 并且增益很高。 但是,TEM 喇叭天线的全金属结构导致天线整体重量重、 体积大, 与其相比,Vivaldi天线具有重量轻、体积小、 成本低、 易于加工集成、 适合组阵的优点, 更适合工程应用。

本文针对该问题设计和实现了一款空气耦合的雷达天线, 该天线基于Vivaldi天线形式, 相比于已有的Vivaldi天线研究[13-15], 本文设计的天线具有更低的频段和更轻量的尺寸, 成本低, 更适合于隧道衬砌探测工程中的使用。 本文对天线的组装方式和天线罩的结构进行了设计, 使天线在实测工作中有良好的表现, 实际的隧道检测结果显示该天线具有稳定的时域性能, 雷达系统探测能力强、 分辨率高。

1 天线结构

设计空气耦合雷达天线的重点在于逐步的阻抗变换。 由于天线口径与空气直接接触, 口径处的特征阻抗应该为377Ω, 而馈线处的阻抗为50Ω, 所以, 需要解决馈线处和口径处的匹配问题, 减少反射。 天线的辐射体可以等效为沿着主辐射方向划分的N个平行板传输线[16], 选取较大的N值使结构过渡更平滑, 可以假设每个片段是均匀的。 从馈线开始, 每一段输入阻抗和输出阻抗之间的关系可以由传输线阻抗计算公式得出,即可实现阻抗的逐渐过渡, 使口径处与空气实现良好的匹配。Vivaldi天线是一种端射式渐变槽线天线, 最大辐射方向是槽线的展开方向, 可以通过参数设计实现口径处特征阻抗的调整, 使天线具备良好的空气耦合性能。 本文所设计的天线是微带馈电式的Vivaldi天线, 能量先馈入一段特征阻抗为50Ω的微带线, 再通过宽带的耦合结构耦合到辐射体, 逐渐向外辐射。

图1是空气耦合宽带Vivaldi天线结构示意图, 其中白色代表介质基板, 灰色代表导体层。 基板背面印刷有微带馈电线, 末端加载有一段扇形微带短截线。 微带线连接SMA接头, 将能量馈送到天线。 扇形微带短截线可以增强电磁波能量对辐射贴片的耦合能力, 从而实现大范围的阻抗匹配。 基板正面印刷有辐射贴片, 上面加载圆形槽线和窄平行槽线, 圆形槽线起到容性补偿的作用,将能量耦合到槽线周围, 再集中于窄平行槽线并向前传播, 指数型渐变槽线能够辐射不同频率的信号能量。 该结构是一个良好的低色散天线。

图1 Vivaldi天线结构Fig.1 Structure of the Vivaldi antenna

为了减轻系统重量和优化成本, 介质基板选用FR-4材料, 介电常数为4.3～4.4, 损耗角正切值为0.025, 介质板厚度为1 mm, 由于馈线处的阻抗为50Ω, 与同轴线直接相连的微带线宽度为1.88 mm。 用于辐射900 MHz信号的天线整体尺寸为120 mm×80 mm。 基于天线的工作原理, 圆形槽线的周长一般取中心频率对应工作波长的1/4, 指数渐变槽的末端开口宽度一般取通带最低频率对应波长的1/2, 指数渐变槽的最窄处开口宽度一般是通带最高频率对应波长的1/100。 通过电磁仿真软件, 对天线的参数进行优化确定, 具体参数如表1所示。

表1 Vivaldi天线参数Tab.1 Parameters of the Vivaldi antenna

该天线采用微带线耦合馈电, 这种方式相比于对跖Vivaldi天线的巴伦结构更加简单, 加载的圆形谐振腔和扇形微带短截线会影响天线的输入阻抗。 图2展示了天线在不同参数时的输入阻抗曲线对比图, 当d=20 mm 时, 圆形槽线带来的容性和扇形短截线带来的感性相互补偿, 天线在所需的工作频带上具有稳定的输入阻抗, 如图2(a)所示; 而当d=5 mm 时, 输入阻抗的虚部极不稳定, 如图2(b)所示。

图2 Vivaldi天线输入阻抗曲线图Fig.2 Input impedance of the Vivaldi antenna

在圆形槽线尺寸参数不同的情况下,天线馈电结构处的电流如图3所示。 当d=20 mm 时,加载结构能够将能量进行耦合, 能量馈入天线后主要集中在窄平行槽线上, 从而继续耦合到正面的辐射结构上, 实现期望的工作模式, 如图3(a)所示; 而当圆形谐振腔的直径过小时, 能量主要集中在天线上半区的馈电部分, 流向辐射结构的电流很微弱, 如图3(b)所示。

图3 Vivaldi天线馈电结构表面电流分布图Fig.3 Suface current distribution diagram on the feed structure of the Vivaldi antenna

该天线是一种槽线天线, 能量耦合到辐射体后, 沿着指数渐变槽线向前传播, 且槽线末端几乎无反射, 是较为理想的行波天线。 图4展示了工作在中心频率时天线辐射体的表面电流分布,从图中可以看出, 两臂上的电流在x方向上是等幅反向的, 即在x方向上相互抵消, 而在y方向上则是同向的, 所以, 天线的方向特性是一个沿着正x方向的端射型辐射方向图。

图4 Vivaldi天线辐射结构表面电流分布图Fig.4 Suface current distribution diagram on the radiation structure of the Vivaldi antenna

2 天线装配设计

在雷达系统的设计中, 将发射天线和接收天线放置在同一个天线罩内, 结构如图5所示。 天线罩为上下分层结构, 两层之间通过碳纤维板进行分隔, 避免上下层之间产生电磁干扰。 天线罩上层包括采样头与脉冲源模块, 下层为收发天线,收发天线之间也通过碳纤维板进行分隔, 用于提高收发天线隔离度, 降低直达波幅值。 为了避免天线受外部环境干扰, 在天线罩内壁贴覆吸波材料。

图5 天线罩结构Fig.5 Structure of radome

为了设计天线在天线罩内的最优放置方式,必须考虑收发天线之间的互耦效应, 不同的互耦会影响天线的匹配和方向性, 从而导致雷达穿透能力和分辨能力的降低。 图6展示了收发天线2种不同的放置方式, 在图6(a)中, 收发天线呈面对面放置, 两天线分别位于碳纤维板的两侧, 从侧面看, 两天线和碳纤维板三者相互平行, 天线通过天线罩底部的卡槽固定; 在图6(b)中, 收发天线共面放置, 从侧面看, 两天线和碳纤维板是垂直的, 两天线的短边均与碳纤维板相接, 通过天线罩侧面的卡槽固定。

图6 收发天线不同放置方式模型图Fig.6 Model diagram of different placement of transmitting and receiving antennas

图7为单个天线在自由空间中不装配时中心频率的E面和H 面方向图。 由于天线H 面方向图是8字形的, 两个波瓣的指向垂直于天线平面, 零点的指向为天线侧面。 方式1中, 接收天线放置在发射天线的最大辐射方向, 接收天线上会耦合一部分电流, 和发射天线形成一个二元阵列, 导致方向图的恶化。 图8(a)展示了放置方式1条件下天线的辐射方向图, 从H 面看, 天线的主辐射方向发生了严重的偏移, 即天线的探测方向不再是正对着指数渐变曲线展开的方向, 而是沿着垂直于天线平面的方向有了一定距离的偏移。 在该方式中, 两天线的间距非常关键, 天线平面与天线罩侧壁的距离也会对天线匹配和接收信号产生影响, 在设计天线罩尺寸时需要综合考虑这些参数及其造成的偏移角度问题。 方式2中, 接收天线与发射天线放置在同一平面内, 位于发射天线方向图的零点, 此时阵因子对天线方向图的影响很小。图8(b)展示了放置方式2条件下天线的辐射方向图, 与单一天线在自由空间中的情形对比, 互耦效应的影响比较弱, 天线的探测方向仍然在指数渐变曲线展开的下方。 在该方式中, 天线间距可以选取的比较小, 在实际工程中两天线可以紧贴碳纤维板固定。 所以, 在雷达系统的方案中, 最终选择方式2作为天线罩的装配形式。

图7 Vivaldi天线在中心频率的辐射方向图Fig.7 Radiation pattern of the Vivaldi antenna at center frequency

图8 不同放置方式下Vivaldi天线的辐射方向图Fig.8 Radiation pattern of the Vivaldi antennas with different placement

完成对天线结构和天线罩的设计后,将模型加工并组成雷达样机。 天线实例如图9所示, 整体尺寸为120 mm×80 mm。 天线罩实物如图10所示, 天线在壳体内以卡槽固定, 壳体内壁设置有平板吸波材料, 尽量选取对天线影响较小且重量轻的吸波材料, 如纸蜂窝、 海绵尖劈等, 在没有合适的高衰减吸波材料时, 可利用纸蜂窝等高频吸波材料进行填充式的多层衰减。 天线系统与其余雷达部件相连接, 发射机输入信号源为主频900 MHz的冲激脉冲信号。

图9 Vivaldi天线S 11 曲线图Fig.9 Manufactured Vivaldi antenna

图10 天线罩实物图Fig.10 Manufactured radome

3 结果及分析

在实验室环境中得到天线的实测结果, 并与仿真环境下的结果进行对比。 图11给出了Vivaldi天线的S11曲线图, 可以看出, 天线拥有770 MHz～1 650 MHz的阻抗带宽(-10 dB 水平), 相对带宽为73%。 实测结果的带宽上下限和仿真结果基本一致, 但是周围环境对低频影响比较大, 整体维持在-10 dB以下, 能够有效辐射。图12给出了Vivaldi天线的时域方向图, 可以看出, 天线在时域条件下拥有稳定的定向辐射方向图, 且侧向辐射几乎为0。

图11 Vivaldi天线S 11 曲线图Fig.11 S 11 of the Vivaldi antenna

图12 Vivaldi天线归一化时域方向图Fig.12 Normalized time domain pattern of the Vivaldi antenna

将天线口径紧贴空气放置, 在发射天线主辐射方向距离1 m 处由接收天线接收时域信号, 用于观察天线传输信号在空气耦合条件下的性能。接收到的信号如图13所示, 可以看出, 天线的时域性能很好, 信号形状和脉宽无畸变, 拖尾时延短, 拖尾度在10%以下。

图13 Vivaldi天线探针接收时域信号曲线图Fig.13 Time domain signal curve received by the probe of the Vivaldi antenna

为了说明本文所设计Vivaldi天线的性能特点, 表2展示了本文与已有的Vivaldi天线研究[13-15]的性能对比, 其中相对尺寸是与中心频率对应的波长λ相对应的。 文献[13]中的天线尺寸适中, 相对带宽可达75%, 具有线性相位响应,与本文所设计天线相比, 该天线也有良好的时域脉冲辐射特性, 但是天线尺寸较大, 是本文所设计天线的11.3倍左右, 且工作频带较高, 对地下目标的探测能力弱; 文献[14]中的天线具有极高的增益, 但是相对带宽仅为44%, 工作频带下限为7 GHz, 是本文设计天线的9倍左右, 该天线相对尺寸很大, 在工程应用中缺乏优势; 文献[15]中的天线相对带宽高达99%, 尺寸与文献[13-14]天线相比有了明显缩小, 但仍然比本文所设计的天线大5倍左右, 该天线的工作频带下限为1.35 GHz, 比本文所设计的天线高75.3%, 并且该文献中并没有实际验证天线的时域特性。 本文设计的天线具有更低的工作频段, 能够满足地下目标探测的需求, 阻抗带宽为0.77 GHz～1.65 GHz, 且相对尺寸很小, 基板厚度仅1 mm,整体结构非常轻量化, 更适合工程使用。

表2 几种Vivaldi天线性能对比Tab.1 Performance comparison of several Vivaldi antennas

系统组装完成后在隧道内进行测试工作, 实测地点为宝成铁路略阳何家坪隧道, 测试环境如图14所示。 天线放置在测试台架上, 与目标相距约1 m～2 m 的距离, 匀速向前滑动。 对采集数据进行处理, 结果如图15所示, 可以看出雷达对浅层目标分辨清晰, 有效探测出了钢拱架结构, 证明了所设计雷达天线具有稳定的时域性能, 雷达能够在空气耦合的环境下完成高效、 清晰、 准确的探测工作。

图14 雷达测试隧道现场图Fig.14 Photographs of the radar testing tunnel site

图15 隧道实测数据图Fig.15 Measured data of the tunnel

4 结 论

针对隧道衬砌探测的实际需求, 本文对空气耦合的雷达天线进行研究, 设计了一种基于Vivaldi天线的雷达天线系统。 所设计天线可以实现770 MHz～1 650 MHz的阻抗带宽, 接收时域信号拖尾度在10%以下, 具有良好的空气耦合特性,且结构简单、 易加工、 成本低。 通过对装配方式的优化, 设计了空气耦合雷达天线罩, 完成了空气耦合雷达样机的设计、 制作和测量, 在隧道环境内获得测量数据, 证明该系统在空气耦合环境下性能稳定, 分辨率高, 可以应用于隧道衬砌的检测工作。