梁平樂,樊易航,劉溢成,李建星,陳 娟

(西安交通大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,西安 710049)

探地雷達(dá)可對地下目標(biāo)進(jìn)行推測性搜索,在公路質(zhì)量檢測、地下管線探測及地球物理調(diào)查等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。天線是探地雷達(dá)系統(tǒng)中極為重要的部件。在探測深層目標(biāo)時,由于地下為有損耗的非均勻介質(zhì),頻率越高,損耗越大,需天線工作在相對較低的頻率,需增加天線的尺寸。同時,為獲得高分辨率,脈沖探地雷達(dá)輻射信號為極短脈沖,頻率占據(jù)很寬的頻帶,需天線具有超寬帶寬。如信號拖尾嚴(yán)重,微弱的回波將被淹沒,難以提取分析,所以探地雷達(dá)天線還需具有低振鈴效應(yīng)。以上需求給探地雷達(dá)天線的設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)。

目前,探地雷達(dá)應(yīng)用的主要天線類型有喇叭天線、vivaldi天線、偶極子天線、螺旋天線和蝶形天線等。喇叭天線[2-3]和vivaldi天線[4-5]方向性好,時域特性良好,但剖面較大。偶極子天線雖結(jié)構(gòu)簡單,但存在方向性低、帶寬窄的缺點。為增加帶寬,往往采用增加天線臂的寬度[6]或電阻加載[7]的方式,但會帶來尺寸大或效率低的問題。螺旋天線[8]同樣具有超寬帶特性,但因相位中心不固定,輻射信號拖尾嚴(yán)重,在脈沖探地雷達(dá)系統(tǒng)中使用較少。蝶形天線具有結(jié)構(gòu)簡單、剖面低、帶寬大及線性相位等優(yōu)點,所以對于蝶形天線的研究也最廣泛。蝶形天線是雙向輻射,往往需加載屏蔽腔[9]或反射器[10]來提高方向性,這會占據(jù)較大的空間,因此,工作在低頻的探地雷達(dá)天線大多為非屏蔽天線。文獻(xiàn)[9,11]對天線進(jìn)行小型化的同時也使輸入阻抗變大,需額外的平衡與不平衡阻抗轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)阻抗匹配,平衡與不平衡阻抗轉(zhuǎn)換器的插損降低了天線的實際增益,也給系統(tǒng)增加了復(fù)雜度。

本文提出了一款振子呈半橢圓狀的蝶形天線,通過盡可能增加輻射面積的方式,使振子的特性阻抗隨頻率基本保持不變,增加了帶寬[12],同時,對蝶形天線的振子進(jìn)行橢圓化處理也使天線可直接與50 Ω同軸線匹配。本文設(shè)計的天線工作頻率低、帶寬寬、時域特性良好,剖面小、饋電簡單,可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高分辨率探測,易推廣到更多探地雷達(dá)應(yīng)用中。

1 天線設(shè)計

蝶形天線可視為從饋電點均勻擴(kuò)展的傳輸線。設(shè)計蝶形天線時,計算天線臂長L和振子張角θ時的經(jīng)驗公式可表示為[12]

(1)

(2)

其中:λ為對應(yīng)最低工作頻率的波長;Zc為天線的特性阻抗。由式(1)和式(2)可知,蝶形天線的臂長決定了最低工作頻率,臂長越長,工作頻率越低;蝶形天線的特性阻抗只與張角有關(guān),增大張角可使天線易與50 Ω同軸線匹配,但與此同時,天線的尺寸也會越大。若要在實現(xiàn)超寬帶特性的基礎(chǔ)上,保持天線的小尺寸,可對蝶形天線的振子進(jìn)行橢圓化處理[13],橢圓形狀的天線為電流提供了一個平滑的路徑,也降低了振鈴效應(yīng)[14]。

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文所提出的蝶形振子天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線對傳統(tǒng)蝶形天線的振子進(jìn)行了橢圓化處理。該天線的兩臂分別位于介質(zhì)基板的兩側(cè),頂點之間的間距為2.5 mm;介質(zhì)基板采用常見的FR4材料,相對介電常數(shù)為4.3,損耗角為0.02,厚度h為 2 mm;橢圓的長半軸a為265 mm,短半軸b為240 mm;天線整體長度l為530 mm,天線的寬度w為483 mm。正面的半橢圓振子頂點處延伸出來一條長l1為6.77 mm,寬w1為2 mm的饋線。基于這條饋線,可將蝶形天線正面的振子和背面的振子通過同軸端口連接起來。同軸端口的內(nèi)導(dǎo)體直徑din為1.27 mm,外導(dǎo)體直徑dout為2.9 mm。

(a) Top view

(b) Bottom view

(c) Side view圖1 蝶形振子天線的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the bow-tie antenna

1.2 仿真結(jié)果

采用CST軟件仿真得到的蝶形振子天線的反射系數(shù)S11隨頻率f的變化關(guān)系如圖2所示。由圖2可見,該天線在180 MHz ～ 3 GHz頻段上具有多個諧振點,對應(yīng)振子上不同長度的電流路徑。天線的反射系數(shù)在該頻段范圍內(nèi)都低于-10 dB,相對工作帶寬達(dá)到了177%。

圖2 蝶形振子天線的反射系數(shù)隨頻率的變化關(guān)系Fig.2 S11 vs. f

除了天線的工作帶寬外,天線效率和增益也是衡量天線輻射能力的重要指標(biāo)。蝶形振子天線效率和增益的仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見,天線效率大于85%,這說明天線本身的損耗很低,匹配也較好。天線的效率隨頻率的升高而緩慢減小,當(dāng)頻率為3 GHz時達(dá)到最低點,工作頻段內(nèi)的最小值約為77%。當(dāng)頻率為180 MHz～ 3 GHz時,該蝶形天線的增益基本上都大于2 dB,最大值為7.5 dB,且隨著頻率的增大,工作波長變小,天線有效面積相對變大,增益也變大。

蝶形振子天線的2維輻射方向圖仿真結(jié)果如圖4所示。

(a) xOz plane (phi = 0°)

(b) yOz plane (phi = 90°)圖4 蝶形振子天線的2維輻射方向圖仿真結(jié)果Fig.4 Simulated two dimensional radiation patterns of bow-tie antenna

由圖4可見,頻率為200 MHz時,天線的輻射方向圖與偶極子天線的方向圖類似;頻率為400 MHz時,天線在z軸方向上的增益增大了約1.1 dB,y軸方向上的增益則減小了約6.5 dB;頻率為600 MHz時,天線分裂出了多個輻射峰,z軸方向上的增益只提高了0.3 dB,而y軸方向上的增益提高了約7 dB,此時y軸與z軸方向上的增益相差不大;頻率為800 MHz時,天線分裂出更多波瓣,且最大輻射方向徹底偏離法向方向,因此使用天線法向方向探測時,天線的工作頻率要低于800 MHz。

2 天線的加工與測試

圖5為蝶形振子天線實物圖,表面進(jìn)行了防氧化處理。其中,SMA端口的內(nèi)導(dǎo)體穿過FR4介質(zhì)基板與正面半橢圓振子延伸出來的短饋線焊接在一起,外導(dǎo)體則與天線背面的半橢圓振子連接。天線的反射特性測試使用的是安捷倫公司生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E8363B,蝶形振子天線反射系數(shù)的仿真與測試結(jié)果對比如圖6所示。由圖6可見,測試結(jié)果給出天線的最低工作頻率為180 MHz,與仿真結(jié)果吻合,且隨著頻率的升高,諧振點處開始出現(xiàn)輕微的頻率偏移。

圖5 蝶形振子天線實物圖Fig.5 Prototype of bow-tie antenna

圖6 蝶形振子天線反射系數(shù)S11的仿真與測試結(jié)果對比Fig.6 Comparison of simulation and measured results for S11 of bow-tie antenna

圖7為蝶形振子天線放置于在多探頭球面近場測量系統(tǒng)的位置。

圖7 蝶形振子天線在多探頭球面近場測量系統(tǒng)的位置Fig.7 Bow-tie antenna placed on multiprobe spherical near-field measurement system

天線其他電參數(shù)使用多探頭球面近場測量系統(tǒng)測得。由于轉(zhuǎn)臺的存在,暗室的正下方不存在探頭。為獲得更準(zhǔn)確的天線法向方向上的輻射特性,測量時將天線直立擺放,并將天線的中心點對準(zhǔn)兩條相互垂直的紅色光線的交點。暗室對該天線的最大測量頻率范圍為400 MHz～2 GHz,因此,只在此頻率區(qū)間對天線輻射特性進(jìn)行測試。

蝶形天線總效率和增益的測量與仿真結(jié)果對比分別如圖8和圖9所示。

圖8 蝶形振子天線總效率的仿真與測試結(jié)果對比Fig.8 Comparison of simulation and measured results for the total efficiency of bow-tie antenna

圖9 蝶形振子天線增益的仿真與測試結(jié)果對比Fig.9 Comparison of simulation and measuredgain of bow-tie antenna

由圖8可見,測試得到的總效率曲線整體上比仿真結(jié)果曲線略低,但基本都大于80%,且仿真和測試曲線隨頻率的變化趨勢一致,均隨頻率升高而波動減小。由圖9可見,增益的測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,在520 MHz ～2 GHz頻帶內(nèi),該蝶形天線的增益均大于4 dB。

頻率為400 MHz時,蝶形天線在xOz面2維輻射方向圖的仿真與測試結(jié)果對比如圖10所示。

圖10 頻率為400 MHz時,蝶形天線在xOz面2維輻射方向圖的仿真與測試結(jié)果對比Fig.10 Comparison of simulation and measured results of two dimensional radiation patterns of bow-tie antenna on the xOz plane at 400 MHz

由圖10可見,雖然測試結(jié)果天線的最大輻射方向偏離了法向方向約10°,天線的輻射方向圖前后并不完全對稱,這是由于饋電同軸線直接連接到天線,未作平衡饋電措施,兩個天線臂上的電流不平衡造成的。由于天線方向圖沒有分裂出多個輻射峰值,且在180°方向上天線增益沒有明顯降低,因此不會對探地雷達(dá)的探測效果造成太大的影響。此外,天線前向和后向的輻射并不完全對稱,前向輻射強(qiáng)度的測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致,后向輻射強(qiáng)度的測試結(jié)果則略小于仿真結(jié)果。

3 系統(tǒng)測試

將設(shè)計的天線用于探地雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行探測性能的驗證。該系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)采用課題組自研的脈沖源,時域波形寬度約為4 ns,峰值約為100 V,頻譜中心頻率約為375 MHz,時域信號和頻譜特征如圖11所示。

(a) Time domain

(b) Frequency domain圖11 脈沖源的時域波形及頻譜圖Fig.11 Time domain waveform and spectrogramof the pulse source

采用課題組自研的接收機(jī)對地下目標(biāo)的反射信號進(jìn)行接收。系統(tǒng)測試的地點為西合鐵路的東秦嶺平導(dǎo)隧道附近。在這片區(qū)域中,選擇了3個不同的目標(biāo)進(jìn)行探測,分別是平導(dǎo)隧道內(nèi)的預(yù)先掩埋目標(biāo)、高架橋和道路上的行車。這3個目標(biāo)既包含對地和對空的探測,又包含了對靜態(tài)目標(biāo)和動態(tài)目標(biāo)的探測。

3.1 平導(dǎo)隧道內(nèi)預(yù)先掩埋目標(biāo)

測試環(huán)境一如圖12所示,探測目標(biāo)為隧道內(nèi)預(yù)先掩埋物體,這些物體的形狀和厚度均不相同。

圖12 測試環(huán)境一(探測目標(biāo)為隧道內(nèi)預(yù)先掩埋物體)Fig.12 Test environment I (Detection target isa pre-buried object in the tunnel)

圖13為一個掩埋深度為50 cm,厚度為22 cm的長方體目標(biāo)的探測結(jié)果(該結(jié)果采用了課題組自研的回波信號處理軟件進(jìn)行演示)。圖13中,顏色最深的線為該目標(biāo)物體的回波信號,出現(xiàn)在10 ns附近,由此可大致推算出,電磁波在隧道墻內(nèi)傳播的速度約為108m·s-1。出現(xiàn)在10 ns之前的信號為直達(dá)波信號,即發(fā)射天線發(fā)出的信號以表面波的形式傳播,然后直接被接收天線所接收。此外,由于隧道中掩埋了許多其他物體,成分復(fù)雜,所以在探測結(jié)果中,目標(biāo)物體的回波信號之后還會出現(xiàn)其他的干擾信號。

圖13 隧道內(nèi)預(yù)先掩埋物體的雷達(dá)探測結(jié)果Fig.13 Radar detection results of thepre-buried object in the tunnel

3.2 高架橋

測試環(huán)境二如圖14所示,探測的目標(biāo)為高架橋。選擇這個測試環(huán)境主要為檢驗蝶形振子天線作為收發(fā)天線時,系統(tǒng)的最大探測距離及縱向分辨率。將系統(tǒng)連接完畢后,收發(fā)天線間隔一定距離放置在地面上,天線的正面對準(zhǔn)路面上方的高架橋,高架橋的雷達(dá)探測結(jié)果如圖15所示。

圖14 測試環(huán)境二(探測目標(biāo)為高架橋)Fig.14 Test environment Ⅱ (Detection target is viaduct)

圖15 高架橋的雷達(dá)探測結(jié)果Fig.15 Radar detection results of viaduct

由圖15可見,高架橋的反射波信號第一次出現(xiàn)是在66 ns附近,對應(yīng)3 × 108m·s-1的電磁波傳播速度,可估算出高架橋的高度約為9.9 m。由于高架橋的底部構(gòu)造是凹槽狀,所以70 ns附近出現(xiàn)第二個回波信號,對應(yīng)的高度約為10.5 m,這也說明系統(tǒng)縱向分辨率小于0.6 m。

3.3 道路上行車及道路旁石壁

測試環(huán)境三如圖16所示,探測的目標(biāo)為道路上的行車及道路旁的石壁。這個測試環(huán)境中,既存在動態(tài)目標(biāo),又存在靜態(tài)目標(biāo)。測試時,收發(fā)天線直立放置,最大輻射方向?qū)?zhǔn)道路旁的石壁。道路上行車及道路旁石壁的雷達(dá)探測結(jié)果如圖17所示。

圖16 測試環(huán)境三(探測目標(biāo)為道路上行車及道路旁石壁)Fig.16 Test environment Ⅲ (Detection target are moving vehicles and wall)

圖17 道路上行車及道路旁石壁的雷達(dá)探測結(jié)果Fig.17 Radar detection results of moving vehicles and wall

由圖17可見,該雷達(dá)系統(tǒng)對動態(tài)的車輛及靜態(tài)的石壁均有良好的探測效果。在2維圖像結(jié)果中,縱軸表距離,橫軸表時間,當(dāng)動態(tài)目標(biāo)經(jīng)過收發(fā)天線有效輻射區(qū)域的時間很短時,回波信號在橫向上就幾乎沒有延伸,反而是在距離上有由遠(yuǎn)及近再由近及遠(yuǎn)的變化。因此,石壁對應(yīng)的是圖17中的橫線,動態(tài)車輛對應(yīng)的是圖17中的3條豎線,其中,相對更長更明顯的曲線是大卡車的回波信號,因其比小轎車具有更大的雷達(dá)散射截面,更易被探測到,所以信號縱向更長;而它的行進(jìn)速度較慢,所以信號在橫向上更粗。

從上述測試結(jié)果可知,該系統(tǒng)可在野外環(huán)境下保持穩(wěn)定且良好的工作狀態(tài),適用于不同目標(biāo)的探測,并有較高的分辨率。

4 結(jié)論

本文提出了一款蝶形振子天線,天線的整體尺寸為530 mm × 483 mm × 2 mm,工作頻段為180 MHz～3 GHz,帶寬內(nèi)效率達(dá)到了80%以上。同時設(shè)計了與其配套的脈沖源及接收機(jī),在外場環(huán)境下對不同目標(biāo)進(jìn)行了的整體測試。測試結(jié)果表明,該探地雷達(dá)系統(tǒng)探測距離大于10 m以上,縱向分辨率小于0.6 m,同時可實現(xiàn)動態(tài)目標(biāo)檢測及探測數(shù)據(jù)實時顯示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、探測能力強(qiáng)及分辨率高,同時具有檢測淺層及遠(yuǎn)距離目標(biāo)的能力。