CN116169468B - 一种探地雷达超宽带定向辐射天线 - Google Patents

一种探地雷达超宽带定向辐射天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种探地雷达超宽带定向辐射天线，涉及天线技术领域，包括：第一介质基板一侧顶部印刷有类五边形的天线臂，另一侧底部对称印刷有类五边形的天线臂；第一介质基板的上、下表面印刷有馈电结构，馈电结构一端与两个天线臂连接，另一端延伸至第一介质基板边缘且与SMA射频同轴连接器连接，第一介质基板上方设置金属反射器，金属反射器和第一介质基板之间设置第二介质基板，第一介质基板下方设置第三介质基板，第二介质基板和第三介质基板上周期排列超材料。本发明对天线臂形状改进，并通过金属反射器将背向地面朝上辐射的能量向下反射，使天线具有定向辐射辐射特性，并将超材料作为增益增强器加载在天线的辐射方向上，提高定向增益。

Description

一种探地雷达超宽带定向辐射天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种探地雷达超宽带定向辐射天线。
背景技术
探地雷达是一种探测埋藏物体和地下结构的无损检测技术，已经被广泛用于城市路面检测、考古调查以及未爆炸物探测等领域。由于探地雷达具有探测速度快、成像分辨率高的特点，已被公认为是近地表探测的重要工具之一。探地雷达通过天线向地下辐射高频短脉冲，并接收由于地下介质电性参数差异而产生的反射信号。因此，天线的性能直接决定探地雷达系统的成像效果。探地雷达的垂向分辨率取决于天线的带宽，带宽越宽，天线的垂向分辨率越高。此外，探地雷达的探测深度与天线的工作频率有关，这是因为地下介质对电磁波的衰减作用会随着电磁波的频率升高而变得严重，为了达到足够的穿透深度，天线需要具有较高的增益和较低的工作频率。而对于天线设计来说，同时兼顾增益、带宽和较低的工作频率是极为困难的。
蝶形天线由于结构简单、低剖面，以及在工作频带内具有线性相位的特性被广泛应用于探地雷达系统。平面结构的蝶形天线由立体双锥形天线演化而来，辐射单元是一对在介质基板上的金属贴片。传统蝶形天线的天线臂为三角形，若达到较低的工作频率，天线的尺寸通常较大，不利于移动式探测的探地雷达系统；并且，传统蝶形天线存在带宽窄、增益低的局限性，限制了探地雷达的探测性能。此外，传统蝶形天线是全向辐射的，对于探地雷达系统，背向地面朝上辐射的能量是没有作用的，地面上物体引起的杂波还会叠加在地下介质产生的反射回波上，干扰地下异常体的辨别。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种探地雷达超宽带定向辐射天线，以解决传统蝶形天线由于增益低、带宽窄、方向性差而导致探地雷达性能被限制的问题。
本发明具体提供如下技术方案：一种探地雷达超宽带定向辐射天线，包括：
第一介质基板，其一侧顶部印刷有类五边形的天线臂，其另一侧底部对称印刷有类五边形的天线臂；
馈电结构，印刷在所述第一介质基板的上表面和下表面，其一端与两个天线臂分别连接，另一端延伸至所述第一介质基板边缘且连接有SMA射频同轴连接器；
金属反射器，设置在所述第一介质基板上方，用于将向上辐射的能量向下反射；
第二介质基板，设置在所述金属反射器和第一介质基板之间；
第三介质基板，设置在第一介质基板下方；
多个超材料基本单元，分别周期排列在第二介质基板和第三介质基板上；
所述第二介质基板通过多个所述超材料基本单元对所述金属反射器加载引起的天线阻抗带宽恶化进行消除，所述第三介质基板通过多个所述超材料基本单元降低天线的阻抗。
优选的，两个所述天线臂分别为：
第一天线臂和第二天线臂，所述第一天线臂和第二天线臂结构相同；所述第一天线臂和第二天线臂的两个底角均为直角，顶角均为角度120°至160°的钝角，另外两个角均为对称的圆角；
所述第一天线臂和第二天线臂构成蝶形天线，用于保证第一天线臂和第二天线臂上的电流相等。
优选的，所述馈电结构一端分别与所述第一天线臂和第二天线臂顶角的张角处连接。
优选的，所述第一天线臂的顶角在第一介质基板顶层的中心，第二天线臂的顶角在第一介质基板底层的中心。
优选的，两个所述天线臂上均开设有加载缝隙，两个所述加载缝隙分别为：
第一加载缝隙，设置在所述第一天线臂上，将所述第一天线臂分割成两部分，分割后的所述第一天线臂之间通过第一末端电阻和第二末端电阻连接；
第二加载缝隙，设置在所述第二天线臂上，将所述第二天线臂分割成两部分，分割后的所述第二天线臂之间通过第三末端电阻和第四末端电阻连接。
优选的，所述第一末端电阻、第二末端电阻、第三末端电阻及第四末端电阻的阻值相同，用于改变天线表面电流分布，吸收天线臂末端的反射。
优选的，所述金属反射器为边长为360mm的正方形金属板。
优选的，所述超材料基本单元为印刷在第二介质基板与第三介质基板的上的金属圆环，所述金属圆环中心有一个十字与圆环相交。
优选的，所述第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板采用环氧玻璃纤维布层压板，且所述第二介质基板、第三介质基板尺寸与金属反射器尺寸相同。
优选的，所述金属反射器与第一介质基板之间、所述金属反射器与第二介质基板之间、所述第三介质基板与第一介质基板之间均通过尼龙支柱固定连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
（1）本发明采用天线臂形状改进等复合优化方法，缩小了传统蝶形天线的尺寸，拓展了天线的阻抗带宽，使天线具有超宽带特性，有益于提高系统探测分辨率，并通过金属反射器将背向地面朝上辐射的能量向下反射，使天线具有定向辐射辐射特性，大大提高探地雷达天线能量利用率。
（3）本发明采用超材料改善天线的阻抗特性，并将超材料作为增益增强器加载在天线的辐射方向上，提高定向增益，提高了系统穿透能力。
附图说明
图1为本发明所述的基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线中蝶形天线的示意图；
图2为本发明所述的基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线的侧视结构示意图；
图3为本发明所述的基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线的整体结构示意图；
图4为本发明所述的基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线中超材料基本单元的示意图；
图5为本发明所述的基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线回波损耗的测试结果图；
图6为本发明所述的基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线在400MHz时E面和H面的辐射方向图；
图7为本发明所述的基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线在600MHz时E面和H面的辐射方向图；
图8为本发明所述的基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线在900MHz时E面和H面的辐射方向图；
图9为本发明所述的基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线的定向增益测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种探地雷达超宽带定向辐射天线，天线的基本辐射单元是两个天线臂，形状与五边形类似，两个底角为直角，顶角为角度为120°至160°的钝角，另外两个角为对称的圆角；两个天线臂分别为第一天线臂1和第二天线臂2，第一天线臂1和第二天线臂2分别对称印刷在第一介质基板3的顶层与底层两侧，构成天线臂上电流相等的蝶形天线；第一加载缝隙4在第一天线臂1末尾处，将第一天线臂1分成两部分，并通过第一末端电阻5和第二末端电阻6相连；第二加载缝隙7在第二天线臂2末尾处，位置与第一加载缝隙4对称，将第二天线臂2分成两部分，并通过第三末端电阻8和第四末端电阻9相连，第一末端电阻5、第二末端电阻6、第三末端电阻8及第四末端电阻9的阻值相同，末端电阻能够改变天线表面电流分布，吸收天线臂末端的反射，有利于实现超宽带和压制时域脉冲波形的拖尾；天线的馈电结构10印刷在第一介质基板3的上表面和下表面，其一端与第一天线臂1和第二天线臂2在天线臂顶角的张角处相连，其另一端延伸至第一介质基板3边缘，与SMA射频同轴连接器11相连；金属反射器12为正方形的金属板，平行加载在第一介质基板3上方，与第一介质基板3通过尼龙支柱连接固定，用于将向上辐射的能量向下反射，使天线具有定向辐射特性；超材料的基本单元13是一个印刷在介质基板上的金属圆环，圆环中心有一个十字与圆环相交，基本单元周期排列在第二介质基板14和第三介质基板15上；第二介质基板14通过尼龙支柱与金属反射器12连接固定，放置在金属反射器12和第一介质基板3之间，通过超材料基本单元13消除或改善金属反射器12加载引起的带宽恶化；第三介质基板15通过尼龙支柱与第一介质基板3相连接，放置在第一介质基板3下方，通过超材料基本单元13降低天线阻抗，从而提高天线的定向增益。
实施例：
本实施例提供一种探地雷达超宽带定向辐射天线，如附图1、附图2和附图3所示，第一介质基板3采用环氧玻璃纤维布层压板，厚度h为1.6mm，长L0为360mm，宽W0为250mm，相对介电常数为4.6，第一介质基板3上附着的第一天线臂1和第二天线臂2两个底角为直角，顶角θ为160°的钝角，另外两个角为对称的圆角，曲率半径r=20mm；每个天线臂的总长度L1为170mm，第一天线臂1和第二天线臂2的形状相同，天线臂的金属厚度为35μm，对称附着在第一介质基板3的顶层和底层，确保两个天线臂上的电流大小相同；第一天线臂1的顶角在第一介质基板3顶层的中心，第二天线臂2的顶角在第一介质基板3底层的中心；第一加载缝隙4在第一天线臂1上，缝隙宽度W2为5mm，缝隙位置与第一天线臂1末尾的距离W1为40mm，第一末端电阻5和第二末端电阻6的阻值为100欧姆，封装为2512型贴片电阻。
类似地，第三末端电阻8和第四末端电阻9的阻值为100欧姆，封装为2512型贴片电阻。缝隙和末端电阻加载能够改变天线表面电流分布，吸收天线臂末端的反射，有利于实现超宽带和压制时域脉冲波形的拖尾；天线的馈电结构10的宽度W3为3.8mm；金属反射器12为边长为360mm的正方形金属板，平行加载在第一介质基板3上方，距离第一介质基板3的高度h1为120mm；超材料的基本单元13是印刷在介质基板上的金属圆环，如附图4所示，超材料基本单元的重复周期D1为60mm，圆环的外直径D2为53mm，宽度D4为10mm，圆环中心有一个十字与圆环相交，十字宽度D3为5mm，超材料的基本单元以6×6周期排列在第二介质基板14和第三介质基板15上，第二介质基板14和第三介质基板15采用环氧玻璃纤维布层压板，厚度为1.6mm，介电常数为4.6，尺寸与金属反射器12的尺寸相同，第二介质基板14距离第一介质基板3高度h2为10mm；第三介质基板15作为电磁透镜来提高天线的定向增益。
如附图5所示，附图5给出了实施例中基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线的回波损耗测试结果图，从附图5可以看出，天线的最低工作频率为317MHz，最高工作频率为934MHz，绝对带宽可到到617MHz，相对带宽超过98.6%，具有超宽带特性，有利于探地雷达系统对地下介质的高分辨探测。
如附图6-8所示，附图6给出了实施例中基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线在400MHz时E面和H面的辐射方向图；附图7给出了实施例中基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线在600MHz时E面和H面的辐射方向图；附图8给出了实施例中基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线在900MHz时E面和H面的辐射方向图；从附图6-8可以看出，该天线在频带内的主瓣清晰，且具有较好方向性。
如附图9所示，附图9给出了实施例中基于超材料加载的探地雷达超宽带定向辐射天线的定向增益测试结果图，从附图9可以看出，该天线在频带的峰值增益超过9.3dBi，有助于提高探地雷达系统的能量利用率，增加系统有效探测深度。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种探地雷达超宽带定向辐射天线，其特征在于，包括：
第一介质基板(3)，其一侧顶部印刷有类五边形的天线臂，其另一侧底部对称印刷有类五边形的天线臂；
两个所述天线臂分别为：
第一天线臂(1)和第二天线臂(2)，所述第一天线臂(1)和第二天线臂(2)结构相同；所述第一天线臂(1)和第二天线臂(2)的两个底角均为直角，顶角均为角度120°至160°的钝角，另外两个角均为对称的圆角；
所述第一天线臂(1)和第二天线臂(2)构成蝶形天线，用于保证第一天线臂(1)和第二天线臂(2)上的电流相等；
两个所述天线臂上均开设有加载缝隙，两个所述加载缝隙分别为：
第一加载缝隙(4)，设置在所述第一天线臂(1)上，将所述第一天线臂(1)分割成两部分，分割后的所述第一天线臂(1)之间通过第一末端电阻(5)和第二末端电阻(6)连接；
第二加载缝隙(7)，设置在所述第二天线臂(2)上，将所述第二天线臂(2)分割成两部分，分割后的所述第二天线臂(2)之间通过第三末端电阻(8)和第四末端电阻(9)连接；
馈电结构(10)，印刷在所述第一介质基板(3)的上表面和下表面，其一端与两个天线臂分别连接，另一端延伸至所述第一介质基板(3)边缘且连接有SMA射频同轴连接器(11)；
金属反射器(12)，设置在所述第一介质基板(3)上方，用于将向上辐射的能量向下反射；
第二介质基板(14)，设置在所述金属反射器(12)和第一介质基板(3)之间；
第三介质基板(15)，设置在第一介质基板(3)下方；
多个超材料基本单元(13)，分别周期排列在第二介质基板(14)和第三介质基板(15)上；
所述第二介质基板(14)通过多个所述超材料基本单元(13)对所述金属反射器(12)加载引起的天线阻抗带宽恶化进行消除，所述第三介质基板(15)通过多个所述超材料基本单元(13)降低天线阻抗。
2.如权利要求1所述的一种探地雷达超宽带定向辐射天线，其特征在于，所述第一天线臂(1)的顶角在第一介质基板(3)顶层的中心，第二天线臂(2)的顶角在第一介质基板(3)底层的中心。
3.如权利要求1所述的一种探地雷达超宽带定向辐射天线，其特征在于，所述第一末端电阻(5)、第二末端电阻(6)、第三末端电阻(8)及第四末端电阻(9)的阻值相同，用于改变天线表面电流分布，吸收天线臂末端的反射。
4.如权利要求1所述的一种探地雷达超宽带定向辐射天线，其特征在于，所述金属反射器(12)为边长为360mm的正方形金属板。
5.如权利要求1所述的一种探地雷达超宽带定向辐射天线，其特征在于，所述超材料基本单元(13)为印刷在第二介质基板(14)与第三介质基板(15)的上的金属圆环，所述金属圆环中心有一个十字与圆环相交。
6.如权利要求1所述的一种探地雷达超宽带定向辐射天线，其特征在于，所述第一介质基板(3)、第二介质基板(14)和第三介质基板(15)采用环氧玻璃纤维布层压板，且所述第二介质基板(14)、第三介质基板(15)尺寸与金属反射器(12)尺寸相同。
7.如权利要求1所述的一种探地雷达超宽带定向辐射天线，其特征在于，所述金属反射器(12)与第一介质基板(3)、所述金属反射器(12)与第二介质基板(14)、所述第三介质基板(15)与第一介质基板(3)均通过尼龙支柱固定连接。
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