王友成 張鋒 紀(jì)奕才 葉盛波 方廣有 張曉娟

(1.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100190;2.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所電磁輻射與探測技術(shù)重點實驗室,北京 100190)

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探地雷達(dá)阻性加載天線的應(yīng)用研究

王友成1,2張鋒2紀(jì)奕才2葉盛波2方廣有2張曉娟2

(1.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100190;2.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所電磁輻射與探測技術(shù)重點實驗室,北京 100190)

阻性加載技術(shù)可以有效拓展天線帶寬、降低時域振鈴．該文以雙紐線構(gòu)成平面印制天線的輻射臂,分析阻性加載對其頻域和時域特性的影響．通過數(shù)值仿真,討論了天線在兩種阻性加載方式下阻抗帶寬和時域波形的變化．設(shè)計了一款指數(shù)型微帶轉(zhuǎn)平行雙線的巴倫,并對巴倫和天線進(jìn)行了加工及測試．測量結(jié)果表明,天線時域波形拖尾振鈴小于10%;在0.8～6 GHz頻帶內(nèi),天線單元回波損耗小于-10 dB． 將天線與雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)集成后,進(jìn)行地下目標(biāo)探測實驗．雷達(dá)探測結(jié)果成像清晰、淺層目標(biāo)分辨率較高．該天線具有超寬帶、低振鈴、緊支撐等特點, 可滿足便攜式探地雷達(dá)的工程化應(yīng)用需求．

探地雷達(dá)(GPR);天線;超寬帶(UWB);阻性加載;緊支撐

DOI 10.13443/j.cjors.2015072001

引 言

時域短脈沖技術(shù)具有超寬帶、高分辨的特點,以時域短脈沖技術(shù)為基礎(chǔ)的探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar, GPR),在地下管線及空洞探測方面具有廣泛的應(yīng)用．天線是GPR一個關(guān)鍵的子系統(tǒng),作為發(fā)射部件時,將雷達(dá)發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為電磁波;作為接收部件時,接收來自目標(biāo)的散射回波并傳遞給接收機(jī)的采樣系統(tǒng)．因此,天線的性能對GPR的探測距離和精度有很大影響．GPR天線通常工作在菲涅爾區(qū)或夫朗和費(fèi)區(qū),時域波形的拖尾與淺層目標(biāo)信號疊加,不利于淺層目標(biāo)信號的提取,所以天線時域波形應(yīng)具有較低的拖尾振鈴．在工程應(yīng)用中,天線應(yīng)具有緊支撐的結(jié)構(gòu),以利于GPR的作業(yè)．目前,應(yīng)用于GPR的天線形式主要包括半波偶極子、Vivaldi、喇叭天線、雙錐天線等[1-5]．具有平面結(jié)構(gòu)的半波偶極子,包括蝶形結(jié)構(gòu)、半橢圓結(jié)構(gòu)、圓形以及各種改進(jìn)型[6-9]．半波偶極子的方向圖在E面呈8字形波束,在H面近似全向．為了抑制雷達(dá)后向輻射和屏蔽外界電磁干擾,此類天線通常引入金屬背腔．具有窄帶諧振特性的金屬背腔,一方面限制了天線的阻抗帶寬;另一方面,金屬背腔內(nèi)壁的多次反射也增加了天線輻射波形的振鈴．為了減小振鈴,一般對天線進(jìn)行阻性加載[10]或阻容混合加載[11-12]．由于阻性加載易于實現(xiàn),本文圍繞阻性加載技術(shù),針對雙紐線型半波偶極子天線,比較了吸波材料和電阻兩種加載方式的效果．通過數(shù)值優(yōu)化構(gòu)成天線臂曲線的參數(shù),設(shè)計并加工了一款吸波材料加載的背腔式天線．其中,饋電部分為指數(shù)型微帶轉(zhuǎn)平行雙線的巴倫．測試結(jié)果表明該天線具有超過6∶1的相對帶寬．將收發(fā)天線并排置于室內(nèi)沙坑平臺進(jìn)行時域特性測試,用雷達(dá)發(fā)射機(jī)對其中一個天線饋入單周期脈沖信號,用另一個天線接收并由示波器采集數(shù)據(jù)．時域測試結(jié)果表明,天線輻射波形具有較低的時域振鈴．將天線與雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)集成后,進(jìn)行外場實驗．雷達(dá)B-scan圖表明目標(biāo)探測成像清晰．測試及實驗結(jié)果均有效地驗證了設(shè)計思路,并且證明該天線能夠有效地應(yīng)用于近地表目標(biāo)探測．

1 天線設(shè)計及分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)及加載技術(shù)

圖1 天線模型

(a) 頂層

(b) 底層圖2 巴倫模型

1.2 數(shù)值模擬

GPR天線通常工作在近地表,目標(biāo)媒質(zhì)及作業(yè)環(huán)境對天線的輻射特性具有一定的影響．將收發(fā)天線單元集成到雷達(dá)系統(tǒng)中,天線單元的特性也會發(fā)生一定變化．通過數(shù)值模擬,本節(jié)討論了兩種加載方式下天線的頻域和時域特性．

首先,比較兩種加載方式下天線的阻抗帶寬．將天線分別置于對空和貼近地面(對地)兩種場景進(jìn)行仿真,仿真軟件為ANSYS HFSS 13.0．地面參數(shù)設(shè)置為:介電常數(shù)為7,電導(dǎo)率為0.005 S/m．電阻加載阻值為220 Ω,吸波材料介電特性如§1.1所述．圖3為兩種加載方式下,天線對空和對地回波損耗的仿真結(jié)果．從圖3可以看出,吸波材料加載方式使得天線的回波損耗在0.5～6 GHz頻帶內(nèi)均小于-10 dB,并且變化緩慢．在電阻加載方式下,回波損耗在部分頻點具有較好的特性,但在其它頻點形成了阻帶．比較對空和對地兩種場景,地面的分布加載效應(yīng)改善了天線的低頻段阻抗帶寬特性．改變電阻加載的阻值,回波損耗隨阻值變化結(jié)果如圖4所示．在圖4中,電阻加載的阻值從160 Ω變化到280 Ω時,回波損耗基本保持不變．在低頻段,加載阻值越大,回波損耗越低．說明對于本文中雙紐線形式的偶極子天線,僅靠天線臂末端的電阻加載的方式,較難獲得寬頻帶的特性．從阻抗帶寬來看,吸波材料加載的方式明顯優(yōu)于電阻加載方式．為進(jìn)一步比較在兩種加載方式下天線的時域特性,利用時域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)(Wavenology 1.80)方法仿真天線的時域輻射波形．分別仿真了天線E面(xoz)和H面(yoz),在半徑為200 mm、步進(jìn)角度為30°觀察點的波形,此處取電場沿x軸分量．兩種阻性加載方式輻射波形仿真結(jié)果如圖5～8所示．首先比較E面仿真結(jié)果,可以看出吸波材料加載的天線時域波形具有很低的拖尾,在主輻射脈沖之后振蕩很?。娮杓虞d的天線時域波形拖尾振鈴明顯．在觀察點為0°處,時域波形在1.6 ns處出現(xiàn)較大的拖尾．這種拖尾與淺層目標(biāo)信號混疊在一起時,不利于目標(biāo)信號的提?。畠煞N阻性加載方式的H面波形仿真結(jié)果與E面具有類似的趨勢．觀察點從0°度到180°時,波形幅度逐漸減小．從圖中可以看出,電阻加載比吸波材料加載的天線輻射波形峰值要大．觀察點在0°、半徑為200 mm 處, 其時域波形的峰值比為2.6．兩種阻性加載方式的天線波形峰值前后抑制比分別為23.9 dB和15.7 dB．這說明吸波材料加載方式的天線在獲得高保真度的輻射波形時,犧牲了天線的輻射效率．

圖3 仿真兩種加載方式天線回波損耗

圖4 仿真電阻加載回波損耗隨阻值變化

圖5 E面吸波材料加載時域波形仿真結(jié)果

圖6 E面電阻加載時域波形仿真結(jié)果

圖7 H面吸波材料加載時域波形仿真結(jié)果

圖8 H面電阻加載時域波形仿真結(jié)果

2 天線測試及實驗結(jié)果

將天線和巴倫加工后,采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5242A進(jìn)行了測試．圖9為巴倫實物．巴倫背對背測試結(jié)果如圖10所示．在單只巴倫插入損耗(S21)小于3 dB和回波損耗(S11)小于-10 dB時,巴倫的帶寬優(yōu)于6∶1(0.5 ～ 6 GHz)．將巴倫與天線集成,并對天線進(jìn)行測試．測試時,將兩個天線肩并肩置于離地約1 m高的發(fā)泡材料上(對空)或貼近地面(對地)．S參數(shù)測試結(jié)果如圖11所示．在0.8～ 6 GHz頻帶內(nèi),天線回波損耗小于-10 dB．對地時,由于地面為損耗介質(zhì),具有分布加載效應(yīng),天線的回波損耗相比對空時更低．從圖11中也可以看到,天線的隔離度在通帶內(nèi)優(yōu)于30 dB,這說明收發(fā)天線的間距及金屬背腔的尺寸選擇是合理的．圖12為天線測量的時域波形．將收發(fā)天線置于沙坑表面, 用發(fā)射機(jī)對其中一個天線饋入單周期的信號．單周期信號的中心頻率為2 GHz, 歸一化幅度如圖12(左圖)所示． 接收天線的波形通過同軸電纜接到高速數(shù)字示波器．由于發(fā)射機(jī)幅度較大,接收波形經(jīng)過衰減器后接入示波器．從接收天線的波形可以看出,時域拖尾振鈴小于10%．將天線與雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)集成后,在某水泥路面進(jìn)行外場實驗．雷達(dá)測試B-scan如圖13所示．在圖13中,雷達(dá)對地下的目標(biāo)探測成像具有較高分辨率,可以看到不同類型的目標(biāo)回波．其中,橢圓線框的部分是位于22 ns處的目標(biāo)回波．

圖9 巴倫實物的正面和反面

圖10 背對背實測結(jié)果

圖11 吸波材料加載天線對空和對地實測結(jié)果

圖12 吸波材料加載天線時域波形實測結(jié)果

圖13 雷達(dá)實驗B-Scan

3 結(jié) 論

以雙紐線構(gòu)成平面印制偶極子天線輻射臂,利用數(shù)值模擬,討論了兩種阻性加載方式對天線頻域和時域特性的影響．最后,對指數(shù)漸變式巴倫和吸波材料加載天線進(jìn)行了加工和測試．測試結(jié)果表明,天線在0.8～6 GHz頻帶內(nèi),回波損耗小于-10 dB, 時域拖尾小于10%．將收發(fā)天線集成到雷達(dá)系統(tǒng)中,并應(yīng)用于某一水泥路面的外場實驗．雷達(dá)探測結(jié)果成像清晰,分辨率高．該天線具有超寬帶、低振鈴、緊支撐等特點,可滿足探地雷達(dá)工程化應(yīng)用的要求．

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王友成 (1986-),男,湖北人,現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所在讀博士生,主要從事超寬帶小型化天線設(shè)計及研究．

張鋒 (1984-),男,山西人,現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副研究員,主要從事超寬帶天線理論及應(yīng)用研究．

紀(jì)奕才 (1974-),男,山東人,中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為超寬帶天線、計算電磁學(xué)、超寬帶雷達(dá)．

葉盛波 (1984-),男,湖北人,現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副研究員,主要從事超寬帶雷達(dá)及應(yīng)用研究．

方廣有 (1963-),男,河南人，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副所長,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為超寬帶雷達(dá)成像理論、方法與技術(shù);月球與深空探測科學(xué)載荷技術(shù);探地雷達(dá)、地球物理電磁勘探、太赫茲成像等方法與技術(shù)．

張曉娟 (1964-),女,山西人，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為非均勻媒質(zhì)電磁散射與逆問題、微波成像新方法及應(yīng)用、電磁遙感機(jī)理、電磁遙感信號處理、電磁遙感系統(tǒng)仿真、天線技術(shù)．

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

國家863計劃(2012AA121901)； 北京交通行業(yè)科技項目(7C1405473)

TN957

A

1005-0388(2016)03-0516-06

I王友成, 張鋒, 紀(jì)奕才, 等. 探地雷達(dá)阻性加載天線的應(yīng)用研究 [J]. 電波科學(xué)學(xué)報,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

聯(lián)系人： 王友成 E-mail: wangyoucheng99@163.com