CN104852131A

CN104852131A - 一种反对称Vivaldi探地雷达天线

Info

Publication number: CN104852131A
Application number: CN201510136654.1A
Authority: CN
Inventors: 谢雄耀; 王志高; 洪概; 覃辉; 曾昆
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2015-08-19

Abstract

本发明涉及一种反对称Vivaldi探地雷达天线，包括双面的印刷电路板和设于印刷电路板上的微带线，所述印刷电路板的上下两表面上分别蚀刻一个肺叶形状的天线极子，两个天线极子对称设置，天线极子的边界包括依次连接的直线、第一指数渐变曲线、半椭圆曲线和第二指数渐变曲线，由直线和第二指数渐变曲线构成的天线极子的端部连接微带线构成封闭回路，具有450MHz、470MHz或500MHz的中心频率。与现有技术相比，本发明具有超宽带、天线增益高等优点，能满足探测距离和分辨率的要求，适用于盾构隧道无损检测。

Description

一种反对称Vivaldi探地雷达天线

技术领域

本发明涉及地面雷达天线的设计领域，尤其是涉及一种反对称Vivaldi探地雷达天线。

背景技术

近年来，对城市功能的深入开发已逐步转为对地下空间进行大规模、深层次的开发与利用，大力发展城市地下空间和轨道交通系统是我国解决“城市病”的最有效途径。盾构法是利用盾构机具在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。随着大量盾构隧道的建成及投入运营，受施工条件、施工质量、地质条件、保护区施工以及其他因素等影响，盾构隧道出现了一些程度上的结构病害，如何控制日益增多的隧道病害并采取相应的措施确保运营安全已引起设计及运营管理部门的极大关注。在盾构隧道的病害中，结构渗漏水是最普遍病害类型之一。由于地质条件、施工水平等因素，有些盾构隧道在施工结束后就出现严重的渗漏水现象。渗漏水有时也伴随着漏泥漏砂，引起隧道外部地层的流失，造成隧道结构受力的不均衡，加剧了隧道结构的沉降和变形。均匀密实的壁后注浆层，作为盾构隧道的第一道防水战线，可以阻止地下水对隧道衬砌结构的侵蚀和渗透，大大减少盾构隧道的渗漏水病害。同时，壁后注浆层一方面填充了隧道衬砌结构与地层的施工间隙，减少地面沉降；另一方面，在隧道稳定初期，注浆层在地层压力的挤压下，完整密实地包围了整个隧道衬砌结构，有助于加强隧道衬砌结构的整体受力性能，同时也能使地层和衬砌结构整体协调受力。

在盾构隧道施工结束后或者在其运营中，若能及时对隧道壁后注浆质量进行探测，对注浆层不均匀、不密实，注浆层背后空洞的地段及时给予二次注浆，则可以有效减小地面的长期沉降和隧道结构的渗漏水病害。近年来，探地雷达技术以其快速、无损、高精度的优势，越来越多地应用到盾构隧道壁后注浆层的结构探测中。探地雷达天线是步进频率探地雷达系统的核心部分之一，天线应具有超宽带特性，保证信号源较宽频带内的信号能耦合到地下介质中去，以获得对地下介质较高的分辨率。另外，时域脉冲探地雷达多采用介质耦合天线，如蝶形天线等。在雷达探测时，如果天线与地下结构之间有间隙不能紧贴，天线性能会随着间隙的增大而降低。

Vivaldi天线是一种槽线超宽带天线，它是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的，槽线呈指数规律变化，将介质板上的槽线宽度逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收的电磁波。这种天线是一种高增益、线极化天线。从理论上讲，它有很宽的频带，可以做成随频率变化具有恒定增益的天线。

现有的商业化孔中探地雷达多用于地质勘探、矿藏能源探察等领域，采用较低频的，如40MHz、100MHz、200MHz等。此类产品由于天线尺寸较大，频率较低，分辨率不足，且不具备步进频率探地雷达超带宽的要求，无法直接应用于盾构隧道壁后注浆无损检测领域。因此，亟待开发出一种适用于盾构隧道壁后注浆检测的反对称Vivaldi探地雷达天线。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于盾构隧道壁后注浆检测的新型反对称Vivaldi探地雷达天线，可在中心频率500MHz左右工作，能满足探测距离和分辨率的要求，且天线在中心频率附近较宽的频率范围内，回波损耗小于-10dB，具有较高的增益以增加探测距离，因为其为空气耦合天线，且尺寸大小适中，能较好的适应盾构隧道无损检测。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种反对称Vivaldi探地雷达天线，包括双面的印刷电路板和设于印刷电路板上的微带线，所述印刷电路板的上下两表面上分别蚀刻一个肺叶形状的天线极子，两个天线极子对称设置，天线极子的边界包括依次连接的直线、第一指数渐变曲线、半椭圆曲线和第二指数渐变曲线，由直线和第二指数渐变曲线构成的天线极子的端部连接微带线构成封闭回路。

所述微带线的长度为10mm，宽度为2.83mm，所述直线的长度为40mm，所述第一指数渐变曲线满足方程：R₁为第一指数渐变曲线的开口半径，R₁取值为25mm，所述第二指数渐变曲线满足方程：R₂为第二指数渐变曲线的开口半径，R₂取值为25mm，所述半椭圆曲线的长半轴半径为95mm。

所述半椭圆曲线的短半轴半径Re为65mm，天线极子对应的中心频率为450MHz。

所述半椭圆曲线的短半轴半径Re为50mm，天线极子对应的中心频率为470MHz。

所述半椭圆曲线的短半轴半径Re为35mm，天线极子对应的中心频率为500MHz。

所述印刷电路板为两面贴有金属导电层的介质基板，所述天线极子内部区域为金属导电层，外部区域为介质基板。

所述金属导电层为铜箔。

所述印刷电路板的尺寸为323mm×301mm×1.6mm。

所述由直线和第二指数渐变曲线构成的天线极子的端部通过SMA接头连接微带线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明天线在中心频率500MHz左右工作，能满足探测距离和分辨率的要求。根据盾构隧道管片厚度和注浆检测的分辨率，要求电磁波在围护结构内部既能穿透一定距离，又能分辨出壁后注浆的分布情况。根据工程实践，天线需要中心频率在500MHz左右有较好的工作性能。本发明设计了肺叶形状的两个极子，一个极子设置在上表面，另一个设置在下表面，形成反对称结构，其中Re取值为65mm、50mm或35mm，对应地可以产生450MHz、470MHz或500MHz的中心频率。

2)本发明天线具有超带宽特性。对于步进频率探地雷达系统，要求天线具有超带宽的特性，即回波损耗在-10dB以下的频率较宽。在400MHz-3.0GHz的频域内，除700MHz-900MHz频率区间，S11在-7dB以下，其余均在-10dB以下。按照S11处于-10dB以下部分即可作为雷达天线工作频率来看，天线工作带宽为3000-400＝2600MHz，因此天线的间断相对带宽为2600/500*100％＝520％。

3)本发明天线具有较高的天线增益。Vivaldi天线本身具有的肺叶形结构使得本天线具有较好的方向性，加之天下结构优化后的低回波损耗使得天线具有较高的增益。高增益使天线的输入功率能够集中辐射到所需探测的范围内，能够有效增加探地雷达的探测深度，可更加有效的检测管片壁后注浆效果。

4)本发明天线的耦合特性适合盾构隧道的检测环境。在探地雷达系统中应用较多的超宽带天线主要有两大类：介质耦合天线和空气耦合天线，介质耦合天线的信号能量主要是通过近场耦合传入地下，雷达的探测性能随天线高度的升高而降低，相反，空气耦合天线允许天线与地下介质有一定的间隙，不会明显地改变雷达的探测性能。为适应盾构隧道的检测环境，本发明的天线为空气耦合天线。

附图说明

图1为本发明结构的俯视图；

图2为本发明结构的左视图；

图3为本发明中三种不同尺寸示意图；

图4为本发明具体实施方式中仿真运行的回波损耗(S11)曲线坐标图。

图中：1、微带线，2、直线，3、第一指数渐变曲线，4、半椭圆曲线，5、第二指数渐变曲线，6、上表面极子，7、下表面极子，8、介质基板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2所示，一种反对称Vivaldi探地雷达天线，包括双面的印刷电路板和设于印刷电路板上的微带线1，印刷电路板为两面贴有金属导电层的介质基板8，印刷电路板的上下两表面上分别设有一个肺叶形状的表面铜片作为两个天线极子，即图1、图2中的上表面极子6和下表面极子7，天线极子内部区域为铜箔，外部区域为介质基板8，两个天线极子对称设置，天线极子的边界包括依次连接的直线2、第一指数渐变曲线3、半椭圆曲线4和第二指数渐变曲线5，由直线2和第二指数渐变曲线5构成的天线极子的端部连接微带线1的一端(即印刷电路板边缘处)构成封闭回路，从而形成Vivaldi天线的辐射结构。天线极子边界的直线2和第一指数渐变曲线3之间采用平滑的过渡结构，交点为P₁，第一指数渐变曲线3与半椭圆曲线4连接交点为P₂。

微带线1作为馈电结构，长度L为10mm，宽度D为2.83mm。天线本身的两个天线极子的阻抗是随着天线极子的尺寸、结构而变动的，而微带线1的阻抗是不变的(50欧)，微带线1与天线极子的阻抗差值太大就会导致天线的回波损耗(S11)增大，性能变差，所以用微带线1通过SMA接头连接两个天线极子。这样就能更好地实现阻抗匹配。

直线2的长度S为40mm，第一指数渐变曲线3满足方程：R₁为第一指数渐变曲线3的开口半径，R₁取值为25mm，第二指数渐变曲线5满足方程：R₂为第二指数渐变曲线5的开口半径，y为横坐标，z为纵坐标，R₂取值为25mm，半椭圆曲线4的长半轴半径为95mm，短半轴半径用Re表示。上表面和下表面的天线极子上的半椭圆曲线4圆心间距W(即P₂之间间距)为159mm(可由天线的频率和介质基板8的介电常数算得)，整个天线所处的印刷电路板长H、宽B，印刷电路板的总尺寸为长×宽×厚。

如图3所示，因为不同的L、R、Re的取值将引起天线中心频率、带宽等的波动，也就对天线性能产生很大影响，且这些影响因素是相互耦合的，本发明反对称Vivaldi天线针对不同的带宽特点和回波损耗特点，根据半椭圆曲线4的短半轴半径Re的不同值设计了3个不同尺寸的天线，以达到不同的回波损耗、相对带宽。

具体尺寸如下：

第一个反对称Vivaldi天线，Re为65mm，总尺寸为323mm×301mm×1.6mm。

第二个反对称Vivaldi天线，Re为50mm，总尺寸为323mm×301mm×1.6mm。

第三个反对称Vivaldi天线，Re为35mm，总尺寸为323mm×301mm×1.6mm。

如图4所示，在Re分别为65mm、50mm、35mm数值的仿真条件下获得对应的回波损耗(S11)曲线图，可以看出，对应的中心频率分别为450MHz、470MHz、500MHz，对应的回波损耗值分别达到-34dB、-26dB、-18dB，三个不同尺寸的天线都有较低的回波损耗和较宽的工作带宽，性能较好。本发明天线结构中L、D、S、R₁、R₂、W、总尺寸都不变，Re的3个尺寸均可波动1mm，影响不大。

Claims

1.一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，包括双面的印刷电路板和设于印刷电路板上的微带线，所述印刷电路板的上下两表面上分别蚀刻一个肺叶形状的天线极子，两个天线极子对称设置，天线极子的边界包括依次连接的直线、第一指数渐变曲线、半椭圆曲线和第二指数渐变曲线，由直线和第二指数渐变曲线构成的天线极子的端部连接微带线构成封闭回路。

2.根据权利要求1所述的一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，所述微带线的长度为10mm，宽度为2.83mm，所述直线的长度为40mm，所述第一指数渐变曲线满足方程：R₁为第一指数渐变曲线的开口半径，R₁取值为25mm，所述第二指数渐变曲线满足方程：R₂为第二指数渐变曲线的开口半径，R₂取值为25mm，所述半椭圆曲线的长半轴半径为95mm。

3.根据权利要求2所述的一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，所述半椭圆曲线的短半轴半径Re为65mm，天线极子对应的中心频率为450MHz。

4.根据权利要求2所述的一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，所述半椭圆曲线的短半轴半径Re为50mm，天线极子对应的中心频率为470MHz。

5.根据权利要求2所述的一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，所述半椭圆曲线的短半轴半径Re为35mm，天线极子对应的中心频率为500MHz。

6.根据权利要求1所述的一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，所述印刷电路板为两面贴有金属导电层的介质基板，所述天线极子内部区域为金属导电层，外部区域为介质基板。

7.根据权利要求6所述的一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，所述金属导电层为铜箔。

8.根据权利要求1所述的一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，所述印刷电路板的尺寸为323mm×301mm×1.6mm。

9.根据权利要求1所述的一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，所述由直线和第二指数渐变曲线构成的天线极子的端部通过SMA接头连接微带线。