CN109742529B

CN109742529B - 一种应用于探地雷达系统的超宽带异形槽天线

Info

Publication number: CN109742529B
Application number: CN201910055690.3A
Authority: CN
Inventors: 沈锋; 吴宇轩; 徐定杰; 杨朋举; 袁月; 赵雨晴
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: CN109742529A

Abstract

本发明公开了一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，属于超宽带天线技术领域。本超宽带天线包括介质基板、微带馈线以及位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元；所述辐射贴片单元中部至末端有一漏斗状凹槽；所述漏斗状凹槽底部有一矩形金属贴片负载，该负载位于凹槽底部中轴线处，与金属辐射贴片连接；所述矩形金属贴片负载尺寸远小于漏斗状凹槽；所述辐射贴片单元中部有两个宽度相同且远小于其长度的开槽，同时两槽至天线末端距离相等；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，于辐射贴片底部与其相连接；所述介质基板材料为聚四氟乙烯。本超宽带天线覆盖频带宽，增益大，完全满足探地雷达系统要求。

Description

一种应用于探地雷达系统的超宽带异形槽天线

技术领域

本发明属于超宽带天线技术领域，设计一种应用于探地雷达系统的超宽带天线。

背景技术

超宽带技术是一种新型无线通讯技术，在早期主要被应用于近距离高速数据传输领域。

近年来，随着国际学术界对超宽带技术的研究逐渐深入，超宽带技术凭借其信号拥有较强穿透性，被科研人员广泛应用于探地雷达领域。

作为一种利用电磁波在介质不连续处产生反射和散射现象来实现对地下小于50m处目标识别定位的有效工具，探地雷达检测优势在于其速度快、过程连续、成像清晰度高，且在操作上具有灵活便利、无损检测等特点，因而近几年在工程、地质勘探、军事等领域得到了广泛应用。早在20世纪初，德国人便开始使用探地雷达探测地下金属物体。之后，作为一种无损检测的新技术，探地雷达的应用从最初对弱衰减介质冰层厚度探测，发展到了工程检测和地质勘察领域。

在工程实践中，常用的超宽带天线为非频变天线。这种天线在满足一定的条件之后其外向波的大部分能量被辐射，只有很小一部分能量会被反射。其工作频带可以不受理论限制，且输入阻抗在很宽的频率范围内能够基本保持不变，但是其VSWR和相位中心仍然会随着频率的变化而变化。其中，比较典型的超宽带天线有对数偶极子天线、领结型天线、对数螺旋天线等。

另外，在天线设计过程中还应该考虑到各种因素的影响，比如天线方向性、阻抗匹配、天线传导损耗以及耦合噪声的干扰。目前，设计一种具有良好电性能的超宽带天线，其方法主要有以下几种：

第一，截断法，即通过截掉天线臂的部分结构来实现在缩小天线尺寸的同时改善天线的电性能；

第二，圆角化，即在天线臂两侧加入圆角以改善天线臂表面的电流分布，拓宽天线的阻抗带宽；

第三，分布式电阻加载法，即在天线臂上添加电阻网络，改善天线臂的电流分布。

第四，缝隙开槽法，即在天线臂的某一位置通过去掉一部分铜片的方法来添加缝隙，从而将天线臂分成多个部分；

第五，异形开槽法，即在天线臂末端去掉一部分特定形状的铜片；

第六，末端加载法，即在天线臂末端加载特殊结构，如过孔、电阻、微带线等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，与其他同类天线相比，该天线尺寸较小，结构简单，且具有良好的超宽带特性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，包括介质基板、微带馈线以及位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元；所述馈线接地贴片单元与辐射贴片单元形状完全一致，两者互为中心对称关系，且两者在介质基板下表面处投影互为轴对称关系；所述辐射贴片单元中部至末端有一漏斗状凹槽；所述漏斗状凹槽底部有一矩形金属贴片负载，该负载位于凹槽底部中轴线处，与金属辐射贴片连接；所述矩形金属贴片负载长为9.0-11.1mm，宽度为9.0-11.1mm；所述辐射贴片单元中部有两个宽度相同，均为 0.7-0.91mm的开槽，同时两槽至天线末端距离相等；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，于辐射贴片底部与其相连接；所述介质基板材料为聚四氟乙烯。

进一步，所述矩形金属贴片负载边沿与漏斗状凹槽颈部的距离应大于贴片负载自身任一边长的二分之一，用于实现对天线的感性加载。

进一步，所述开槽位于天线贴片中部，且两段开槽的延长线应与贴片负载相交。

进一步，所述微带馈线包含三个部分：微带线、1/4波长阻抗转换器、天线边缘匹配结构。其中三个结构的宽度呈“工”字形分布，即微带线和天线边缘匹配结构的宽度比1/4波长阻抗转换器的宽度大，所述微带馈线结构用于实现超宽带条件下的阻抗匹配。

进一步，介质基板材料为聚四氟乙烯，其介电常数为2.0-2.2。

本发明的有益效果在于：

第一，通过异形开槽法，即在天线臂末端去掉一部分漏斗形状的铜片以增大带宽，使其工作的最低频点达到了230MHz以下；

第二，通过缝隙开槽法，即在天线臂的某一位置通过去掉一部分铜片的方法来添加缝隙，从而为天线增加容性负载，用以与自身的感性阻抗相匹配，从而使天线阻抗的虚部尽可能逼近于0；

第三，通过末端加载法，即通过在天线末端开槽底部加载微带线，调节天线工作频带中高频部分的驻波比，在保证天线具有较高增益的前提下，进一步增大天线的工作带宽，使天线的相对带宽提高至98.9％，与相同电尺寸的其他同类天线相比，相对带宽有较大提升。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线的整体结构三维视图；

图2为本发明所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线的俯视图；

图3为本发明所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线的正视图；

图4为本发明的驻波比随频率变化的曲线图；

图5为本发明分别在230MHz、280MHz、490MHz、680MHz频点的E面的辐射方向图；

图6为本发明分别在230MHz、280MHz、490MHz、680MHz频点的H面的辐射方向图；

图7为本发明所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线增益随频率变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线的整体结构三维视图，如图所示：

本发明所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，包括介质基板、微带馈线以及位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元。其中，介质基板的上表面与下表面分别紧贴于金属辐射贴片单元与馈线接地贴片单元，且两者形状完全相同，互为中心对称关系；另外，金属贴片中末端有一漏斗状凹槽，该漏斗槽使得天线在低频段能够具有良好的驻波特性；在金属贴片漏斗状凹槽底部有一矩形金属贴片负载，该负载位于凹槽底部中轴线处，与金属辐射贴片连接。天线设计具体步骤如下：

步骤一：介质基板材料选择。介质基板为薄长方体型基板，材料为聚四氟乙烯，其介电常数为2.0-2.2，基板长L为610mm，宽度W为80mm；接地板、微带馈线、辐射贴片、馈线接地贴片均为厚度相同的金属薄贴片。

步骤二：天线基本辐射单元的设计。天线的基本辐射单元基于典型的领结型天线原理进行重新设计，使其物理结构能够满足探地雷达的应用场景。根据天线的工作频段以及超宽带的要求，最终设计得到的领结型天线长为610mm，宽为80mm。

步骤三：天线加载结构设计。为了提升天线的工作性能，使得其性能在较宽频段内能够保持一致性，需要在原有的基础上对天线结构进行加载设计。本设计选择通过在金属贴片漏斗状凹槽底部紧贴一矩形金属贴片负载的方式进行加载，在实验仿真过程中，发现漏斗状凹槽口部深度为28.075mm，颈部深度L4为147.925mm，颈部宽度W3为35mm，矩形金属贴片负载在长度和宽度均为10mm时，对天线工作频段高频部分的驻波特性改善效果最好。

步骤四：天线容性负载结构设计。本设计在金属贴片负载两侧有两段共线的窄缝隙将金属贴片分成三个部分，主要用于对天线阻抗的虚部进行改善。经过仿真实验，缝隙应开在距离天线臂末端273.2-275.3mm处。

步骤五，天线馈线结构设计。本设计选择在介质基板上表面紧贴微带馈线，馈线主要由三部分构成：微带线、1/4波长阻抗转换器、天线边缘匹配结构。其中，天线边缘匹配结构长度Lz0为9.7-11.8mm，宽度Wz0为0.71-0.92mm；1/4波长阻抗转换器长度Lz1为85mm，宽度为0.36-0.57mm；微带线长度Lz2为15mm，宽度Wz2为1.27-1.48mm。

天线的整体结构如图1、图2、图3所示，其中，1-金属辐射贴片单元，2-微带馈线，3-馈线接地贴片单元，4-切臂，5-折线过渡段，6-缝隙开槽，7-矩形金属贴片负载，8-漏斗形开槽，9-聚四氟乙烯介质基板，10-基板下表面敷铜结构，11-同轴馈线孔，12-介质基板上表面敷铜结构。

完成上述初始设计后，使用全波三维电磁仿真软件HFSS 17.0进行仿真分析，并对天线的各项参数进行优化。最终，得到的天线最优参数尺寸如表1所示：

表1

根据上述参数计算得到的天线驻波比，天线增益，E面方向图，H面方向图等特性参数进行分析，结果如下：

图4为本发明的电压驻波比VSWR仿真曲线图，如图所示，在VSWR<2的条件下，天线的阻抗带宽范围为230MHz-680MHz，共有两个谐振频率中心，其谐振频率值分别为280MHz和490MHz。其中，490MHz的谐振频率是由矩形金属贴片负载所产生的。

图5、图6分别为天线在230MHz、280MHz、490MHz、680MHz四个频率点分别在E 面和H面的辐射方向图。根据方向图可知，在未添加吸波材料之前，天线主要有四个波瓣分别指向四个方向，通过添加反射背腔以及吸波材料的方式，容易在图5、图6的基础上提升天线的方向性。

图7为天线在

处增益随频率变化曲线。根据增益-频率变化曲线可知，天线在 490MHz的谐振频率上其增益为4.873dBi，且在230MHz-680MHz的整个工作频段内，天线增益均大于2.2dBi。

综上，该天线频率覆盖范围为230MHz-680MHz，相对带宽大于98％，具有较好的带宽特性；天线在设计工作频段内电压驻波比小于2.0，电压驻波比具有较好的一致性；天线具有良好的方向性，且在490MHz处的天线增益为4.837dBi，高于常见的领结型超宽带天线。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，其特征在于：包括介质基板、微带馈线以及位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元；所述馈线接地贴片单元与辐射贴片单元形状完全一致，两者互为中心对称关系，且两者在介质基板下表面处投影互为轴对称关系；所述辐射贴片单元中部至末端有一漏斗状凹槽；所述漏斗状凹槽底部有一矩形金属贴片负载，该负载位于凹槽底部中轴线处，与金属辐射贴片连接；所述矩形金属贴片负载长为9.0-11.1mm，宽度为9.0-11.1mm；所述辐射贴片单元中部有两个宽度相同，均为0.7-0.91mm的开槽，同时两槽至天线末端距离相等；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，于辐射贴片底部与其相连接；所述介质基板材料为聚四氟乙烯。

2.根据权利要求1所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，其特征在于：所述矩形金属贴片负载边沿与漏斗状凹槽颈部的距离应大于贴片负载自身任一边长的二分之一，用于实现对天线的感性加载。

3.根据权利要求1所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，其特征在于：所述开槽位于天线贴片中部，且两段开槽的延长线应与贴片负载相交。

4.根据权利要求1所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线包含三个部分：微带线、1/4波长阻抗转换器、天线边缘匹配结构，其中三个结构的宽度呈“工”字形分布，即微带线和天线边缘匹配结构的宽度比1/4波长阻抗转换器的宽度大，所述微带馈线结构用于实现超宽带条件下的阻抗匹配。

5.根据权利要求1所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，其特征在于：介质基板材料为聚四氟乙烯，其介电常数为2.0-2.2。