1 引言

探地雷達天線作為整個雷達系統(tǒng)的發(fā)射和接收端，其性能的優(yōu)劣直接決定了探地雷達系統(tǒng)的性能。常規(guī)探地雷達使用全向天線輻射和接收，無法對地質(zhì)目標進行精確定位。傳統(tǒng)方法是通過設(shè)計單個定向天線，然后用幾個這樣的定向天線豎直排列成一條線，如果相鄰接收天線主波束間的ψ向夾角為 2π/n，則由n個定向天線排成一列，組成接收天線[1]。

但是這種天線的排列方式，一方面增加了結(jié)構(gòu)的長度，使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，并且復雜度增加。本文所采用的陣列方法是可以減少天線結(jié)構(gòu)的復雜度，并且性能和以前的結(jié)構(gòu)復雜天線性能相當并且還有一定的超越。

對于單個定向接收天線，傳統(tǒng)方式是利用金屬反射、引向或者吸波材料。利用反射板或引向器則需要距離天線至少1/4波長，但是對于工作在米波的天線，尺寸有點大，一般的處理方法是在天線周邊填充高介電常數(shù)物質(zhì)[2]。采用單個定向天線的優(yōu)勢是接收易于操作，并且對傳輸和接收機系統(tǒng)要求也不高，但需要天線系統(tǒng)機械的旋轉(zhuǎn)，而且易發(fā)生故障，因此陣列天線接收技術(shù)定位精確，因此能夠被廣泛的應用。

基于此設(shè)計了一款小型化、定向性能優(yōu)異的單極子環(huán)形排列的定向接收天線。

2 定向接收天線結(jié)構(gòu)

此定向接收天線天線由三個扇形單極子單元組成，在三個單極子單元背面分別加金屬反射板，同時利用介質(zhì)加載和集總加載使天線具有寬帶小型的特點。介質(zhì)加載是填充相對介電常數(shù)較高材料在天線與反射板之間，因為電磁波在相對介電常數(shù)εr的介質(zhì)中傳播時，其波長縮短了(εr)^1/2倍，因此天線的長度也對應減少了(εr)^1/2倍，應用此原理可以在天線與反射板之間填充介質(zhì)來實現(xiàn)天線小型化。本文的整個天線用玻璃鋼材料填充，此種介質(zhì)加載主要有三個好處，一方面可以是整個天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅固，以適應地下高溫高壓環(huán)境；另一方面由于高的相對介電常數(shù)可以有效的縮小天線的電長度；另外，通過介質(zhì)加載還可以改善天線系統(tǒng)與鉆孔周圍高介電常數(shù)巖石的阻抗匹配，減少由于阻抗不匹配引起的反射對整個雷達系統(tǒng)的干擾。

天線的仿真模型如圖1所示，天線的結(jié)構(gòu)很簡單就是由三個扇形輻射極子、反射板，圓形地板以及加載介質(zhì)四部分組成，整個外形呈現(xiàn)圓柱形，可以用于探地雷達中的鉆孔雷達。如圖1 (a)所示，單極子單個輻射單元的半徑為r0=180mm，中心角θ=120，為了減少末端發(fā)射，對扇形邊緣進行倒角處理，半徑為r1=30 mm，地板半徑為r3=42mm，輻射單元與中心的距離x=26mm，三個50歐姆的SMA接頭鑲嵌在地板上，用來連接同軸線，給天線饋電。

圖1

整個天線用玻璃鋼材料填充，此種介質(zhì)加載主要有三個好處，一方面可以是整個天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅固，以適應地下高溫高壓環(huán)境；另一方面由于高的相對介電常數(shù)可以有效的縮小天線的電長度；另外，通過介質(zhì)加載還可以改善天線系統(tǒng)與鉆孔周圍高介電常數(shù)巖石的阻抗匹配，減少由于阻抗不匹配引起的反射對整個雷達系統(tǒng)的干擾。

為了擴展天線的帶寬、減少拖尾信號、改善天線的阻抗匹配，在天線頂端進行集總加載[4]，加載采用電容C和電阻R串聯(lián)的方式。通過最終優(yōu)化仿真確定加載電阻R=20Ω，加載電容C=1200pF。

圖2

圖3

3 定向天線仿真結(jié)果

使用電磁仿真軟件將天線置于相對介電常數(shù)為8的巖石環(huán)境仿真。對3個單極子天線中的一個進行激勵，并在該偶極子前后及側(cè)旁設(shè)置時域探針來監(jiān)視空間某些點時域電場波形。仿真得到巖石環(huán)境中天線S11如圖2所示，S11小于5dB頻帶為10～304.52MHz，諧振頻率點在180.57MHz。

天線輻射波形如圖3所示，前向輻射波形和后向輻射波形的峰峰值之比為3.6。前向電場波形拖尾很小，遠小于主峰值的1/10。

4 結(jié)束語

本文所采用的陣列方法是可以減少天線結(jié)構(gòu)的復雜度，并且性能和以前的結(jié)構(gòu)復雜天線性能相當并且還有一定的超越。設(shè)計了一個三方向的定向天線。天線主瓣增益為6.1dB，天線輻射的前向與后向時域脈沖波形峰峰值之比大于3.5，時域電場脈沖波形拖尾小于主峰幅度1/10。可以根據(jù)3個端口反射波信號幅度來判斷反射物所在方位,結(jié)果顯示天線的定向效果明顯。

[1]梁洪艷.石油鉆孔收發(fā)天線及其電磁波傳輸特性研究[D].成都:電子科技大學,2013:27-28.

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

[3]唐劍明.關(guān)于鉆孔雷達天線的研究[D].成都:電子科技大學,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.