CN107978850A - 背腔蝶形探地雷达天线装置 - Google Patents

背腔蝶形探地雷达天线装置 Download PDF

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杨河林
金彦
叶辉
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Abstract

本发明涉及背腔蝶形探地雷达天线装置，玻纤板正面的中部至下端边缘之间设置第一微带馈电线，玻纤板背面的中部至下端边缘之间设置第二微带馈电线，第一蝶形天线贴片的左侧为第一梯形贴片区域，右侧为第一矩形贴片区域，第一蝶形天线贴片刻蚀玻纤板的正面，且第一蝶形天线贴片位于第一微带馈电线的右侧，第一梯形贴片区域与第一微带馈电线一端连接；第二蝶形天线贴片的右侧为第二梯形贴片区域，左侧为第二矩形贴片区域，第二蝶形天线贴片刻蚀玻纤板的背面，且第二蝶形天线贴片位于第二微带馈电线的左侧，第二梯形贴片区域与第二微带馈电线一端连接，本发明有效改善了天线的输入阻抗，并且拓宽了天线的带宽。

Description

背腔蝶形探地雷达天线装置
技术领域
本发明涉及探地雷达技术领域，具体涉及一种背腔蝶形探地雷达天线装置。
背景技术
探地雷达主要应用于公路、桥梁、隧道以及矿井的无损探测、地质勘探和研究，以及地下管线等各种金属和非金属目标的检测、定位、成像等。探地雷达(GPR)是利用超高频电磁波探测地下介质电性分布的一种地球物理仪器。高频电磁波以宽带短脉冲的形式，在地面通过发射天线将信号传入地下，经过层界面或目标体的反射后返回地面，由接收天线接收，通过对电磁波反射信号的时域特征和振幅特征进行分析，即可得到探测区域内的地质信息。
天线是探地雷达系统中至关重要的一个组成部分，它直接影响着整个系统的性能。探地雷达系统普遍采用超宽带窄脉冲信号，并且探地雷达系统的中心工作频率一般在10MHz～2500MHz之间。因此要求天线应该具有良好的辐射特性和宽带特性，以及良好的时域特性，并且中心工作频率在10MHz～2500MHz之间。传统探地雷达天线的电尺寸相对较大不便于集成在复杂系统上；带宽也不是足够的宽；辐射性能低，不能满足高增益要求；而且造价非常昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背腔蝶形探地雷达天线装置，该天线通过设计蝶形天线的蝶形天线贴片和微带馈电线来有效改善天线的输入阻抗，并且拓宽了天线的带宽。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种背腔蝶形探地雷达天线装置，其特征在于：它包括玻纤板、第一蝶形天线贴片、第二蝶形天线贴片、第一微带馈电线和第二微带馈电线，其中，玻纤板正面的中部至下端边缘之间设置第一微带馈电线，玻纤板背面的中部至下端边缘之间设置第二微带馈电线，所述第一蝶形天线贴片的左侧为第一梯形贴片区域，第一蝶形天线贴片的右侧为第一矩形贴片区域，所述第一蝶形天线贴片刻蚀在玻纤板的正面，且第一蝶形天线贴片位于第一微带馈电线的右侧，所述第一蝶形天线贴片中第一梯形贴片区域的上底边与第一微带馈电线一端连接；
所述第二蝶形天线贴片的右侧为第二梯形贴片区域，第二蝶形天线贴片的左侧为第二矩形贴片区域，所述第二蝶形天线贴片刻蚀在玻纤板的背面，且第二蝶形天线贴片位于第二微带馈电线的左侧，所述第二蝶形天线贴片中第二梯形贴片区域的上底边与第二微带馈电线一端连接；
第一微带馈电线的另一端与第二微带馈电线的另一端连接。
背腔蝶形探地雷达天线装置还包括长方体金属背腔罩，所述长方体金属背腔罩罩在玻纤板的上方，所述长方体金属背腔罩用于实现蝶形探地雷达天线向地下辐射能量时进行定向。
本发明的有益效果：
本发明通过设计蝶形天线的蝶形天线贴片和微带馈电线来有效改善天线的输入阻抗，并且拓宽了天线的带宽。所设计的蝶形天线成本低，工作带宽在461MHz～1.3GHz频段之间，有着很好的阻抗匹配特性。加入的背腔能够有效地使蝶形天线的辐射方向指向地下，于是辐射模式满足探地雷达的要求。本发明有效的降低了天线的回波损耗，很好的满足了探地雷达天线的需求，比传统探地雷达天线具有更好的方向性，而且大大提高了天线的辐射增益。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的仰视结构示意图；
图4为本发明中长方体金属背腔罩的立体结构示意图；
图5为本发明中安装了腔罩的探地雷达天线俯视结构示意图；
图6为本发明中天线的测试和仿真的S11参数的结果图；
图7为本发明的电压驻波比的仿真结果；
图8为本发明在500MHz处归一化辐射方向图；
图9为本发明在700MHz处归一化辐射方向图；
图10为本发明在900MHz处归一化辐射方向图；
图11为本发明在1.1GHz处归一化辐射方向图；
图12为有背腔情况下的天线的仿真S11参数值和无背腔的天线的仿真S11参数值示意图；
图13为背腔加载天线的电压驻波比示意图。
图7中VSWR表示住波比，图8中PHI表示三维坐标系中的倾斜角。
图8～11中，左边的图是E面(xoz面)归一化辐射方向图；右边的图是H面(yoz面)归一化辐射方向图。
其中，1—玻纤板、2—第一蝶形天线贴片、2.1—第一梯形贴片区域、2.2—第一矩形贴片区域、3—第二蝶形天线贴片、3.1—第二梯形贴片区域、3.2—第二矩形贴片区域、4—第一微带馈电线、5—第二微带馈电线、6—长方体金属背腔罩
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的一种背腔蝶形探地雷达天线装置，如图1～5所示，它包括玻纤板1、第一蝶形天线贴片2、第二蝶形天线贴片3、第一微带馈电线4和第二微带馈电线5，其中，玻纤板1正面的中部至下端边缘之间设置(刻蚀)第一微带馈电线4，玻纤板1背面的中部至下端边缘之间设置(刻蚀)第二微带馈电线5，所述第一蝶形天线贴片2的左侧为第一梯形贴片区域2.1，第一蝶形天线贴片2的右侧为第一矩形贴片区域2.2，所述第一蝶形天线贴片2刻蚀在玻纤板1的正面，且第一蝶形天线贴片2位于第一微带馈电线4的右侧，所述第一蝶形天线贴片2中第一梯形贴片区域2.1的上底边与第一微带馈电线4一端连接；
所述第二蝶形天线贴片3的右侧为第二梯形贴片区域3.1，第二蝶形天线贴片3的左侧为第二矩形贴片区域3.2，所述第二蝶形天线贴片3刻蚀在玻纤板1的背面，且第二蝶形天线贴片3位于第二微带馈电线5的左侧，所述第二蝶形天线贴片3中第二梯形贴片区域3.1的上底边与第二微带馈电线5一端连接；
第一微带馈电线4的另一端与第二微带馈电线5的另一端连接到内芯线，再与接天线电路连接。本发明使用时，第一微带馈电线4的另一端与第二微带馈电线5的另一端使用标准的50SMA同轴连接器连接。
上述技术方案中，玻纤板1(FR-4基板)的长为240mm，宽为168mm厚度为2.5mm。我们这里使用的金属是铜，其厚度为0.03mm。
上述技术方案中，第一蝶形天线贴片2、第二蝶形天线贴片3、第一微带馈电线4和第二微带馈电线5的材质均为铜。
上述技术方案中，所述第一微带馈电线4和第二微带馈电线5均由两段矩形电线段首尾相接构成，第一微带馈电线4和第二微带馈电线5一端的矩形电线段的宽度均为5.2mm，第一微带馈电线4和第二微带馈电线5另一端的矩形电线段的宽度均为6.5mm。上述设计改善了天线的输入阻抗，并且拓宽了天线的带宽，降低了天线的制造成本。
上述技术方案中，所述第一微带馈电线4和第二微带馈电线5一端的矩形电线段的长度均为30mm，第一微带馈电线4和第二微带馈电线5另一端的矩形电线段的长度均为64mm。
上述技术方案中，它还包括长方体金属背腔罩6，所述长方体金属背腔罩6(由上左右前后五面金属板构成，金属材料是不锈钢)罩在玻纤板1的上方，所述长方体金属背腔罩6用于实现蝶形探地雷达天线向地下辐射能量时进行定向。长方体金属背腔罩6能使天线具有向下的最大辐射方向。
上述技术方案中，所述长方体金属背腔罩6的高度为蝶形探地雷达天线工作中心频率对应波长的1/4。为了获得更好的探测效果，要求天线具有向下的最大辐射方向
上述技术方案中，所述长方体金属背腔罩6的高度为100mm，长方体金属背腔罩6的厚度为1mm，长方体金属背腔罩6的长度为468mm，长方体金属背腔罩6的宽度为340mm。
上述技术方案中，所述第一梯形贴片区域2.1和第二梯形贴片区域3.1的上底边长度5均为10mm，所述第一梯形贴片区域2.1和第二梯形贴片区域3.1的高均为11.4mm。
上述技术方案中，所述第一矩形贴片区域2.2和第二矩形贴片区域3.2的宽度均为93mm，第一矩形贴片区域2.2和第二矩形贴片区域3.2的长度均为140mm。
本发明通过SMA同轴连接器，将背腔蝶形探地雷达天线装置的微带馈电线与适量网络分析仪连接(Agilent PNA E8362B)测量天线的S11参数(回波损耗特性)，此参数表示天线的发射效率，值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。图6给出了天线的测试和仿真的S11参数的结果。从仿真结果可以看出天线的带宽很宽，天线的S11参数都在-10dB以下，所以蝶形天线能在461MHz～1.3GHz之间很好的工作，并且天线和发射机能有很好的阻抗匹配关系使得电磁波能量有效的向外辐射出去。从图6中还可以看出实验结果和仿真结果比较的吻合。
图7是该蝶形天线的电压驻波比的仿真结果。由图7可见，在461MHz～1.3GHz频段内驻波比仿真结果都大于1小于2，这表明在该频段内蝶形天线与馈源是匹配的。图7表明所设计的蝶形天线能搞满足探地雷达天线的宽频带要求。
图8～图11给出了蝶形天线在500MHz,700MHz,900MHz,1.1GHz处归一化辐射方向图，从方向图中可以看出蝶形天线的辐射方式是朝正面(沿+z方向)和背面(沿-z方向)两个方向辐射，出现了两个波主瓣。这种辐射特性不符合探地雷达天线需要有向下的最大辐射方向的要求。为了解决蝶形天线的方向性问题，我们给蝶形天线加上了一个背腔，使得天线主要向地下辐射能量。
图12给出了有背腔情况下的天线的仿真S11参数值和无背腔的天线的仿真S11参数值。从图中可以看出，加载背腔天线的带宽整体向低频移动了大约45MHz左右，带宽宽度基本保持不变，背腔体的加入可以较好的保持天线原有的阻抗特性。因此背腔的添加对蝶形天线的阻抗特性影响不大。图13给出了背腔加载天线的电压驻波比，背腔加载天线在411MHz到1.26GHz基本保持了较好的电压驻波比。
表一蝶形天线与背腔加载蝶形天线的增益比较
表一给出了蝶形天线和背腔加载天线的增益比较，可见背腔加载蝶形天线比无加载背腔蝶形天线有更大的增益，背腔加载天线的增益的最大值均在7dB以上。通过以上结果分析，背腔加载天线能很好的满足探地雷达天线的需求，比普通蝶形天线具有更好的方向性，而且大大提高了天线的辐射增益。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种背腔蝶形探地雷达天线装置，其特征在于：它包括玻纤板(1)、第一蝶形天线贴片(2)、第二蝶形天线贴片(3)、第一微带馈电线(4)和第二微带馈电线(5)，其中，玻纤板(1)正面的中部至下端边缘之间设置第一微带馈电线(4)，玻纤板(1)背面的中部至下端边缘之间设置第二微带馈电线(5)，所述第一蝶形天线贴片(2)的左侧为第一梯形贴片区域(2.1)，第一蝶形天线贴片(2)的右侧为第一矩形贴片区域(2.2)，所述第一蝶形天线贴片(2)刻蚀在玻纤板(1)的正面，且第一蝶形天线贴片(2)位于第一微带馈电线(4)的右侧，所述第一蝶形天线贴片(2)中第一梯形贴片区域(2.1)的上底边与第一微带馈电线(4)一端连接；
所述第二蝶形天线贴片(3)的右侧为第二梯形贴片区域(3.1)，第二蝶形天线贴片(3)的左侧为第二矩形贴片区域(3.2)，所述第二蝶形天线贴片(3)刻蚀在玻纤板(1)的背面，且第二蝶形天线贴片(3)位于第二微带馈电线(5)的左侧，所述第二蝶形天线贴片(3)中第二梯形贴片区域(3.1)的上底边与第二微带馈电线(5)一端连接；
第一微带馈电线(4)的另一端与第二微带馈电线(5)的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的背腔蝶形探地雷达天线装置，其特征在于：所述第一微带馈电线(4)和第二微带馈电线(5)均由两段矩形电线段首尾相接构成，第一微带馈电线(4)和第二微带馈电线(5)一端的矩形电线段的宽度均为5.2mm，第一微带馈电线(4)和第二微带馈电线(5)另一端的矩形电线段的宽度均为6.5mm。
3.根据权利要求2所述的背腔蝶形探地雷达天线装置，其特征在于：所述第一微带馈电线(4)和第二微带馈电线(5)一端的矩形电线段的长度均为30mm，第一微带馈电线(4)和第二微带馈电线(5)另一端的矩形电线段的长度均为64mm。
4.根据权利要求1所述的背腔蝶形探地雷达天线装置，其特征在于：它还包括长方体金属背腔罩(6)，所述长方体金属背腔罩(6)罩在玻纤板(1)的上方，所述长方体金属背腔罩(6)用于实现蝶形探地雷达天线向地下辐射能量时进行定向。
5.根据权利要求4所述的背腔蝶形探地雷达天线装置，其特征在于：所述长方体金属背腔罩(6)的高度为蝶形探地雷达天线工作中心频率对应波长的1/4。
6.根据权利要求4所述的背腔蝶形探地雷达天线装置，其特征在于：所述长方体金属背腔罩(6)的高度为100mm，长方体金属背腔罩(6)的厚度为1mm，长方体金属背腔罩(6)的长度为468mm，长方体金属背腔罩(6)的宽度为340mm。
7.根据权利要求1所述的背腔蝶形探地雷达天线装置，其特征在于：所述第一梯形贴片区域(2.1)和第二梯形贴片区域(3.1)的上底边长度5均为10mm，所述第一梯形贴片区域(2.1)和第二梯形贴片区域(3.1)的高均为11.4mm。
8.根据权利要求1所述的背腔蝶形探地雷达天线装置，其特征在于：所述第一矩形贴片区域(2.2)和第二矩形贴片区域(3.2)的宽度均为93mm，第一矩形贴片区域(2.2)和第二矩形贴片区域(3.2)的长度均为140mm。
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