CN109244636A - 一种具有分布式电阻加载的探地雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于探地雷达领域，并公开了一种具有分布式电阻加载的探地雷达天线。该探地雷达天线包括金属背腔、介质板、天线贴片、电线和变压器，电线用于接收或者输出不平衡态的电磁波，变压器用于实现电磁波平衡态和不平衡态之间的转化；天线贴片对称设置在电线的两侧，用于接收或者输出接收到的电磁波，天线贴片上间隔设置有多个的贴片电阻，多个贴片电阻的阻值沿所述天线贴片与所述电线连接的一端至末端的方向逐渐增大，以此使得经过所述天线贴片的电流逐渐减小直至接近于0，即使得所述天线贴片上的电流呈行波分布；金属背腔将所述天线贴片的背面包覆阻挡来自背面的电磁波减少干扰。通过本发明，提高探地雷达天线带宽和辐射性能，减小了驻波比。

Description

一种具有分布式电阻加载的探地雷达天线

技术领域

本发明属于探地雷达领域，更具体地，涉及一种具有分布式电阻加载的探地雷达天线。

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。

平面碟形天线是探地雷达的一个极其重要的部件,其性能直接决定了雷达的探测效果。探地雷达的天线需要将电磁波耦合到对电磁波吸收比较大的分散的土壤中，并且在各种电磁波的干扰中接收回波信号。与此同时，传统的探地雷达天线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

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有分布式电阻加载的探地雷达天线，通过对其关键组件天线贴片的结构设计和位置设计，使其中的贴片电阻的电阻从一端至另一端的电阻逐渐增大，从而使得经过天线贴片后的电流逐渐减小趋近于0，呈行波分布，以此使得天线贴片上电流呈行波分布，减小振铃，同时使得天线贴片输入阻抗更稳定，提高探地雷达天线带宽和辐射性能，减小了驻波比。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种具有分布式电阻加载的探地雷达天线，其特征在于，该探地雷达天线包括金属背腔、介质板、天线贴片、电线和变压器，其中：

所述介质板设置在所述金属背腔的侧面上，作为所述天线贴片、电线和变压器的载体，所述电线设置在所述介质板的纵向中心轴线上，用于接收或者输出不平衡态的电磁波，所述变压器与所述电线连接，用于实现电磁波平衡态和不平衡态之间的转化；

所述天线贴片对称设置在所述电线的两侧，用于接收或者输出接收到的电磁波，所述天线贴片上间隔设置有多个的贴片电阻，该多个贴片电阻的阻值沿所述天线贴片与所述电线连接的一端至末端的方向逐渐增大，以此使得经过所述天线贴片的电流逐渐减小直至接近于0，即使得所述天线贴片上的电流呈行波分布；

所述金属背腔呈空心立方体状，将所述天线贴片的背面包覆，用于阻挡来自背面的电磁波减少干扰。

进一步优选地，每个所述贴片电阻优选采用分布式电阻。

进一步优选地，所述分布式电阻包括多个关于所述分布式电阻的中心对称分布的两组并联的电阻，且相邻的电阻之间间隔相等。

进一步优选地，所述天线贴片的形状优选为三角形和矩形的组合，其中，所述三角形的底面与所述矩形的一个侧面重合。

进一步优选地，所述金属背腔的高度优选为预设的所述探地雷达天线中心频率对应的波长的1/4。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明在天线贴片上采用分布式电阻，传统的蝶形天线阻值几乎为零，在发射高频强信号时信号会在天线内部多次反射，进而影响信号的发射以及接收，降低信号的强度，本发明的分布式电阻把平面蝶形天线贴片划分为多个部分，其中电阻值从馈源到天线末端逐渐增大，确保天线内的电流信号逐级缓慢的衰减，避免了信号在天线内的多次反射，保证电流流向末端时电流几乎变为0，从而近似呈行波分布，减小振铃；

2、本发明采用空心的长方体金属背腔，与传统的将天线固定在一块平板上相比，考虑空气中的电磁波信号对信号的影响，通过将平面蝶形天线固定在背腔内，有效阻止背向环境中的电磁波干扰，获得更好的探测效；

3、本发明采用的天线贴片形状为三角形与矩形的组合形状，对于现有采用三角形的蝶形天线而言，天线越长则其低频特性越好，张角越大则其带宽越大，本发明在保证三角形张角不变的情况下，在三角形末端增加矩形，增加了天线的长度，使得天线在保证带宽不变的情况下，低频特性变好，另外，也避免为了提高低频特性增加三角形的尺寸，从而避免尺蝶形天线尺寸过大。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的探地雷达的立体结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的探地雷达的正视图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的天线贴片加载之前的输入阻抗示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的天线贴片加载之前的电压驻波比；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的天线贴片加载之后的输入阻抗；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的天线贴片加载之后的电压驻波比；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的天线贴片的磁场场强方向图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-金属背腔 2－介质板 3－天线贴片 5－电线 6－变压器 7－第1级贴片电阻8－第2级贴片电阻 9－第3级贴片电阻 10－第4级贴片电阻 11－第5级贴片电阻 12－第6级贴片电阻 13－第7级贴片电阻 14－第8级贴片电阻 15－第9级贴片电阻 16－第10级贴片电阻 17－第11级贴片电阻。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的探地雷达的立体结构示意图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的探地雷达的正视图，如图1和2所示，一种具有分布式电阻加载的平面碟形探地雷达天线，包括长方体金属背腔1、介质板2、天线贴片3、电线5、巴伦变压器6、第1级贴片电阻7、第2级贴片电阻8、第3级贴片电阻9、第4级贴片电阻10、第5级贴片电阻11、第6级贴片电阻12、第7级贴片电阻13、第8级贴片电阻14、第9级贴片电阻15、第10级贴片电阻16、第11级贴片电阻17。本实施例中电线5采用同轴馈电线，变压器6采用巴伦变压器。

长方体金属背腔1罩固定在介质板2的正上方，天线贴片3刻蚀在介质板2的背面。天线贴片3分布在同轴馈电线5的左、右两侧形成蝶形，同轴馈电线5与巴伦变压器5连接后再与天线贴片3连接。在天线贴片3上分布式焊上第1～11级贴片电阻(7～17)。其中电阻值从馈源到天线末端逐渐增大，保证电流流向末端时电流几乎变为0，从而近似呈行波分布。

在本实施例中，介质板2的长度是280mm，宽80mm，厚度3mm。

在本实施例中，天线贴片3同轴馈电线的材质均为铜。其中天线贴片3的厚度为0.03mm。

在本实施例中，天线贴片的主要参数为，长度260mm、宽度70mm以及顶角60度。其中天线贴片3沿在长度方向被分为12个部分，长度分别为20mm、8mm、8mm、8mm、8mm、8mm、8mm、8mm、8mm、8mm、8mm、8mm，天线贴片与电线连接点到第一个贴片电阻之间的长度为20mm，每个贴片电阻中包括多个均匀间隔分布的电阻，每个电阻之间的间隔为2mm。

在实施例中，第1级贴片电阻7、第2级贴片电阻8、第3级贴片电阻9、第4级贴片电阻10、第5级贴片电阻11、第6级贴片电阻12、第7级贴片电阻13、第8级贴片电阻14、第9级贴片电阻15、第10级贴片电阻16、第11级贴片电阻17。分布式加载基于Wu-King理论，其理论的加载公式为其中，Ψ为末端加载电阻的阻值，l为相邻电阻加载点之间的间隔，l为单个天线臂的长度，x_i为加载点的位置。在设计中，还需要通过仿真进一步优化改进得到最优的结果。设定从第1级到第11级的阻值分别为47Ω、68Ω、91Ω、120Ω、160Ω、220Ω、240Ω、300Ω、510Ω、1000Ω，设定从第1级到第11级电阻的个数分别为7个、10个、12个、13个、13个、13个、13个、13个、13个、13个、13个，并且每一级贴片电阻在同一列的阻值相同。其中电阻值从馈源到天线末端逐渐增大，保证电流流向末端时电流几乎变为0，从而近似呈行波分布。

在实施例中，为了获得更好的探测效果，为了有效阻止背向环境中的电磁波干扰。同时，考虑到电磁波经屏蔽腔反射后与直接辐射到地下的电磁波叠加在一起，两者叠加后是增强还是减弱取决于两者的相位关系，而屏蔽腔的高度决定了反射回的电磁波的相位，因此屏蔽腔的高度需要采用天线中心频率对应波长的1/4，本实施例中，长方体金属背腔1的高度为平面蝶形天线工作中心频率400MHz对应波长的1/4，长方体金属背腔1的高度为187.5mm，厚度为1mm，长度为300mm，宽度为100mm。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的天线贴片加载之前的输入阻抗示意图，如图3所示，本发明的中心工作频率为400MHz。可以看出，天线的输入阻抗并不是理想地固定在158欧，阻抗在低频时很大，在150MHz后阻抗在200Ω附近缓慢变化。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的的天线贴片加载之前的电压驻波比，如图4所示，电压驻波比基本全部大于2。

图5是按照本发明的优选实施例所构建的天线贴片加载之后的输入阻抗，如图5所示，平面碟形天线的输入阻抗稳定在200Ω左右。

图6是按照本发明的优选实施例所构建的天线贴片加载之后的电压驻波比，如图6所示，在中心工作频率400MHz，电压驻波比约为1.5，并且在400MHz～1GHz,电压驻波比一直小于2。

从图3～6可以看出，通过增加巴伦变压器6，以及进行分布式电阻加载，平面碟形天线的性能得到了极大的提升，同轴馈电线5的阻抗是50欧，通过1：4的巴伦变压器6，可以进行阻抗变换，改变天线的源阻抗。然后通过分布式电阻加载，使得天线上电流呈行波分布，末端电流趋近于零，减小振铃，同时，天线输入阻抗也会更稳定，一定程度上展开天线频带，减小了驻波比。

图7是按照本发明的优选实施例所构建的天线贴片的磁场场强方向图，如图7所示，天线辐射的电磁波主要集中在天线平面的两面，但探地雷达工作时只需要向地下发射电磁波，向空中发射的电磁波发射回来会产生干扰。因此，需要在天线背面加长方体金属背腔1来阻止背向环境中的电磁波干扰，来获得更好的探测效果。

本发明的中心工作频率400MHz，但分布式电阻加载这一技术，适用于不同中心工作频率的平面碟形探地雷达天线。

下面说明本发明提供的探地雷达天线的工作过程。

准备本发明的两个探地雷达天线，其中一个与电路板的发射电路串联，另一个与该电路板的接收电路串联。两个探地雷达天线分别用于接收和发射电磁波。电路板的发射电路发出不平衡的电磁波信号，经过变压器转化为平衡的电磁波信号，进入到探地雷达的蝶形天线，蝶形天线将信号发射出去。信号在地下传播时，由于地下介质的不同，导致信号产生反射现象。反射回来的信号被另一个探地雷达天线所接收，信号进入到电路板的接收电路。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有分布式电阻加载的探地雷达天线，其特征在于，该探地雷达天线包括金属背腔(1)、介质板(2)、天线贴片(3)、电线(5)和变压器(6)，其中：

所述介质板(2)设置在所述金属背腔(1)的侧面上，作为所述天线贴片、电线和变压器的载体，所述电线(5)设置在所述介质板的纵向中心轴线上，用于接收或者输出不平衡态的电磁波，所述变压器(6)与所述电线连接，用于实现电磁波平衡态和不平衡态之间的转化；

所述天线贴片(3)对称设置在所述电线的两侧，用于接收或者输出接收到的电磁波，所述天线贴片上间隔设置有多个的贴片电阻，该多个贴片电阻的阻值沿所述天线贴片与所述电线连接的一端至末端的方向逐渐增大，以此使得经过所述天线贴片的电流逐渐减小直至接近于0，即使得所述天线贴片上的电流呈行波分布；

所述金属背腔(1)呈空心立方体状，将所述天线贴片的背面包覆，用于阻挡来自背面的电磁波，减少干扰。

2.如权利要求1所述的探地雷达天线，其特征在于，每个所述贴片电阻优选采用分布式电阻。

3.如权利要求2所述的探地雷达天线，其特征在于，所述分布式电阻包括多个关于所述分布式电阻的中心对称分布的两组并联的电阻，且相邻的电阻之间间隔相等。

4.如权利要求1-3任一项所述的探地雷达天线，其特征在于，所述天线贴片(3)的形状优选为三角形和矩形的组合，其中，所述三角形的底面与所述矩形的一个侧面重合。

5.如权利要求1-4任一项所述的探地雷达天线，其特征在于，所述金属背腔的高度优选为预设的所述探地雷达天线中心频率对应的波长的1/4。