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CN112952357A - 一种平面组合脉冲辐射天线 - Google Patents

一种平面组合脉冲辐射天线 Download PDF

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CN112952357A CN202110089674.3A CN202110089674A CN112952357A CN 112952357 A CN112952357 A CN 112952357A CN 202110089674 A CN202110089674 A CN 202110089674A CN 112952357 A CN112952357 A CN 112952357A
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张安学
董可欣
师振盛
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Abstract

本发明公开了一种平面组合脉冲辐射天线，涉及探地雷达天线的设计领域。辐射贴片部分由加载开槽的矩形贴片天线、平面TEM喇叭天线和对数周期天线三部分组成，辐射贴片部分设置在所述介质基板的上表面，馈电部分设置在所述介质基板的下表面；矩形贴片天线上加载有圆形槽线和平行槽线，通过加载开槽将背面馈电部分的能量耦合到辐射贴片上，平面TEM喇叭天线的喇叭口向起始段延伸，直到延伸至所述矩形贴片天线内部并与平行槽线相接，使能量继续耦合馈入平面TEM喇叭天线，对数周期天线的轴线与所述平面TEM喇叭天线的轴线重合，向喇叭口的张开方向延伸。平面组合脉冲辐射天线有效的拓展了低频处的辐射特性，用于探地雷达系统，提升探测深度和精度。

Description

一种平面组合脉冲辐射天线
技术领域
本发明涉及探地雷达天线的设计领域；具体涉及一种平面组合脉冲辐射天线。
背景技术
随着国家基础设施建设的蓬勃发展，公路建设领域的技术不断更新，路基检测越来越受到建设单位和设计人员的重视。探地雷达具有无损探测、高效成像的特点，可以对地下的非均匀结构进行非入侵式探测以及跟踪成像。天线作为探地雷达系统中关键的部分，其性能的提升将直接带来整个探地雷达系统的探测能力提升。
由于工作需求的特殊性，探地雷达天线需要具有超宽带、高效率和良好的时域脉冲辐射特性。平面TEM喇叭天线是一种常用的时域天线，具有结构紧凑，重量轻，易于加工和集成的优点，但同时，平面TEM喇叭天线也具有以下问题：
1、方向性不够强，方向图较宽。为了提升探地雷达天线检测的分辨率，需要研究设计提升方向性和增益的方法。
2、低频性能较差。探地雷达天线的工作频段越低，探测深度越高，所以低频拓展是设计中非常重要的要求。在保持TEM喇叭印制在平面介质基板的基础上，需要研究各项结构参数设计的规律，从而实现低频带宽扩展，而不是直接增加天线的尺寸。
3、加载结构可能会降低天线的辐射效率，或者带来末端反射的问题。在提升增益的同时，需要研究设计较为简单的加载结构，弱化时域拖尾，在实际应用时增强探测系统的分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种平面组合脉冲辐射天线；该天线用于探地雷达系统，具有宽工作频带，低频处的增益显著提升，时域脉冲辐射特性良好。
本发明的技术方案是：一种平面组合脉冲辐射天线，包括介质基板、辐射贴片部分和馈电部分，其中，所述辐射贴片部分由加载开槽的矩形贴片天线、平面TEM喇叭天线和对数周期天线三部分组成，所述辐射贴片部分设置在所述介质基板的上表面，所述馈电部分设置在所述介质基板的下表面；
所述矩形贴片天线上加载有圆形槽线和平行槽线，通过加载开槽将背面馈电部分的能量耦合到辐射贴片上，所述平面TEM喇叭天线的喇叭口向起始段延伸，直到延伸至所述矩形贴片天线内部并与平行槽线相接，使能量继续耦合馈入平面TEM喇叭天线，所述对数周期天线的轴线与所述平面TEM喇叭天线的轴线重合，向喇叭口的张开方向延伸。
所述平面TEM喇叭天线的喇叭体由一段指数型渐变曲线和一段抛物线组合形成。为实现低频处的高增益辐射特性，所述指数型渐变曲线为±Y＝0.75*exp(0.0197*(X-50))，50≤X≤350；所述抛物线为Y＝(X-160)2/90+13.5183，160≤X≤313.4059。所述指数型渐变曲线向矩形贴片天线的方向延伸，直到伸入矩形贴片天线内部，与加载平行槽线相连接；所述抛物线向矩形贴片天线的方向延伸，直到与矩形贴片天线的一边相交，交点位置与指数型渐变曲线之间留有一段5mm到10mm的距离。
所述对数周期天线由8根宽度相同、间距相同的矩形贴片单元组成，每个单元的长度等于共用同一顶角的8个等腰三角形的底边长度，随着平面TEM喇叭的口径逐渐张开，天线单元长度逐渐增大。
所述馈电部分由两段轴线相互垂直的微带线和一段扇形微带短截线组成，所述扇形微带短截线的一边与相连接的微带线同向。为了扩展低频带宽，提升低频的辐射性能，扇形微带短截线的边长与所述两段微带线的长度之和等于最低工作频率的四分之一工作波长，所述微带短截线的面积与所述圆形加载槽线的面积相等。
所述介质基板采用介电常数为10.2±0.5，所述介质基板的厚度为3mm±0.5mm。
与现有技术相比，采用上述技术方案所产生的有益效果有以下几点：
1.所述平面组合脉冲辐射天线通过创新性的设计方法确定耦合结构的参数，在天线整体尺寸尽可能缩小的情况下，拓展了低频处的辐射能力，使工作频带展宽，提升了探地雷达天线的深度探测能力。
2.所述平面组合脉冲辐射天线通过组合的形式，使平面TEM喇叭天线和矩形贴片天线的辐射场相互叠加，通过调节两个天线的尺寸和相接连的具体位置，使能量在主辐射方向叠加增强，在后向抵消减弱，从而提升了低频处的方向性系数和增益；对数周期天线设置在平面TEM喇叭天线张开的方向上，进一步起到引向的作用，提升了整个通带内的辐射性能。
3.所述平面组合脉冲辐射天线利用简单的方法将天线进行组合，减少时域信号的多次反射，具有良好的时域脉冲辐射特性。
4.所述平面组合脉冲辐射天线在保证性能的基础上拥有简单的平面结构，便于加工制造，易于集成。
附图说明
图1为本发明的俯视图。
图2为本发明的仰视图。
图3为本实施例的回波损耗曲线图。
图4为本实施例的主辐射方向增益仿真曲线图。
图5为180MHz源馈电时本实施例的时域信号波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
参见图1～图2，本实施例为一种平面组合脉冲辐射天线，它由介质基板1、辐射贴片部分2和馈电部分3组成。介质基板1使用聚四氟乙烯与玻璃纤维、陶瓷的合成材料，介电常数为10.2，损耗角正切为0.003，厚度为3mm，其上表面印制辐射贴片部分2，包括加载开槽的矩形贴片天线21、平面TEM喇叭天线22和对数周期天线23，下表面印制微带馈电线3。
如图1所示，矩形贴片天线21印制在介质基板1的边缘，三条边与介质基板1的边缘重合，第四条边为直线X＝160，矩形贴片天线21上加载有圆形槽线211和平行槽线212，以使背面馈电部分的能量耦合到辐射贴片2上，所述圆形槽线211的圆心位于(0,20mm)，直径为20mm，所述平行槽线212的宽度为1.5mm，长度为20mm。
平面TEM喇叭天线22印制在介质基板1的中间位置，由一段指数型曲线221和一段抛物线222组合形成。所述指数型渐变曲线221为±Y＝0.75*exp(0.0197*(X-50))，50≤X≤350；所述抛物线222为Y＝(X-160)2/90+13.5183，160≤X≤313.4059。所述指数型渐变曲线221向矩形贴片天线21的方向延伸，直到伸入矩形贴片天线21内部，与加载平行槽线212相连接；所述抛物线222向矩形贴片天线21的方向延伸，直到与矩形贴片天线21的一边相交。
对数周期天线23由8根宽度相同、间距相同的矩形贴片单元组成，每个单元的长度等于共用同一顶角的8个等腰三角形的底边长度，随着平面TEM喇叭22的口径逐渐张开，天线单元长度逐渐增大。在本实施例中，等腰三角形顶角为56°，天线单元最短长度为15.95mm，最长长度为161.85mm。
如图2所示，馈电部分3由两段轴线相互垂直的微带线31和一段扇形微带短截线32组成。第一段微带线与介质基板的中轴线水平距离为36.395mm，长度为61.25mm，宽度由2.79mm至1.79mm成线性渐变；第二段微带线长度为52.29mm，宽度由1.5mm至0.5mm成线性渐变。扇形微带短截线32的一边与相连接的微带线31同向，边长为30mm，圆心角为60°。
本发明的天线采用印制电路板工艺制作。
本发明的工作原理如下：特定频率的信号从同轴馈入，电流通过介质基板1下表面的微带线3通过电磁感应耦合到上表面的辐射贴片2上。微带线3的尺寸设计主要考虑最低工作频率，从而使工作频带尽可能向低频拓宽。具体来说，微带短截线32的边长与两段微带线31的长度之和约等于最低工作频率的四分之一工作波长，使低频处的输入阻抗虚部为零；为了考虑耦合结构的阻抗匹配效果，扇形微带短截线32的面积与圆形加载槽线211的面积基本相等，从而使输入阻抗的实部接近50欧姆。电流耦合到矩形贴片天线21后，在平行槽线212附近流动，产生的电场被矩形贴片21束缚。因为平行槽线212与平面TEM喇叭天线22的喇叭口相连接，一部分电流沿着指数型曲线221继续向前流动。此时，矩形贴片天线21上的电流和平面TEM喇叭天线22上的电流分别产生辐射场，两个辐射场相互叠加，在200MHz处，前向辐射场叠加增强，后向辐射场抵消减弱，从而有效提升了低频处的方向性和增益。随着通带内工作频率的提高，电流更多地流向平面TEM喇叭天线22，平面TEM喇叭天线22成为主要辐射体，所以通带内高频的方向性逐渐增强。对数周期天线23提供了引向的功能，使整个通带的信号继续向前向集中，进一步提升整个通带的增益。经过以上设计思路，本发明的平面组合脉冲辐射天线可以有效增强信号强度，提高前向接收到的时域信号的幅度，同时因为结构较为简单，减少了电流在导体结构间的反射，从而改善了时域信号的拖尾持续时间。
本发明应用于探地雷达系统，将相同的两个天线面向放置，作为收发天线。其中发射天线由同轴线馈入频率为180MHz的短脉冲，接收天线获取信号并将波形传给接收机，通过算法进行目标识别。将本发明的天线集成在系统内部，并在探测方向的背向放置吸波材料，进一步提升实验环境。
用矢量网络分析仪测得本实施例的回波损耗，通过测试系统获得本实施例在180MHz源馈电时接收到的时域信号波形图。
参照图3，本实施例的回波损耗曲线图，本实施例的天线工作频带为200MHz～600MHz，可以满足深度探测的需求。
参照图4，本实施例的主辐射方向增益仿真曲线图，通带内的增益都在4.6dB以上，组合的设计显著提升了200MHz的增益，使能量集中向前向辐射。
参照图5，180MHz源馈电时本实施例的时域信号波形图，信号的保真度高，拖尾小。
结果表明，本发明设计的天线通过组合的设计和扩展低频带宽的研究思路，实现了低频处较好的辐射特性，在整个通带内增益提升，获得了较好的时域信号波形，满足了探地雷达对探测深度和精度的要求，且易于加工制作，方便集成于系统内部。

Claims (5)

1.一种平面组合脉冲辐射天线，其特征在于，包括介质基板(1)、辐射贴片部分(2)和馈电部分(3)，其中，所述辐射贴片部分由加载开槽的矩形贴片天线(21)、平面TEM喇叭天线(22)和对数周期天线(23)三部分组成，所述辐射贴片部分(2)设置在所述介质基板(1)的上表面，所述馈电部分(3)设置在所述介质基板(1)的下表面；所述矩形贴片天线上加载有圆形槽线(211)和平行槽线(212)，通过加载开槽将背面馈电部分的能量耦合到辐射贴片上，所述平面TEM喇叭天线(22)的喇叭口向起始段延伸，直到延伸至所述矩形贴片天线(21)内部并与平行槽线(212)相接，使能量继续耦合馈入平面TEM喇叭天线(22)，所述对数周期天线(23)的轴线与所述平面TEM喇叭天线(22)的轴线重合，向喇叭口的张开方向延伸。
2.根据权利要求1所述的平面组合脉冲辐射天线，其特征在于，所述平面TEM喇叭天线(22)的喇叭体由一段指数型渐变曲线(221)和一段抛物线(222)组合形成。为实现低频处的高增益辐射特性，所述指数型渐变曲线(221)为±Y＝0.75*exp(0.0197*(X-50))，50≤X≤350；所述抛物线(222)为Y＝(X-160)2/90+13.5183，160≤X≤313.4059。所述指数型渐变曲线(221)向矩形贴片天线(21)的方向延伸，直到伸入矩形贴片天线(21)内部，与加载平行槽线(212)相连接；所述抛物线(222)向矩形贴片天线(21)的方向延伸，直到与矩形贴片天线(21)的一边相交，交点位置与指数型渐变曲线(221)之间留有一段5mm到10mm的距离。
3.根据权利要求1所述的平面组合脉冲辐射天线，其特征在于，所述对数周期天线(23)由8根宽度相同、间距相同的矩形贴片单元组成，每个单元的长度等于共用同一顶角的8个等腰三角形的底边长度，随着平面TEM喇叭(22)的口径逐渐张开，天线单元长度逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的平面组合脉冲辐射天线，其特征在于，所述馈电部分(3)由两段轴线相互垂直的微带线(31)和一段扇形微带短截线(32)组成，所述扇形微带短截线(32)的一边与相连接的微带线(31)同向。为了扩展低频带宽，提升低频的辐射性能，扇形微带短截线(32)的边长与所述两段微带线(31)的长度之和等于最低工作频率的四分之一工作波长，所述微带短截线(32)的面积与所述圆形加载槽线(211)的面积相等。
5.根据权利要求1所述的平面组合脉冲辐射天线，其特征在于，所述介质基板(1)采用介电常数为10.2±0.5，所述介质基板的厚度为3mm±0.5mm。
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