通過分析時(shí)域脈沖輻射信號的頻譜，確定了天線的工作頻率和帶寬，并根據(jù)在探地雷達(dá)應(yīng)用中滿足信號最大能量對地輻射的要求，提出了一種快速有效的時(shí)域背腔式領(lǐng)結(jié)天線的設(shè)計(jì)方法，該方法簡便實(shí)用，便于在探地雷達(dá)系統(tǒng)的整體工程化設(shè)計(jì)中使用。所提出建立的方法得到了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)果的驗(yàn)證，并在探地雷達(dá)整機(jī)的開發(fā)和設(shè)計(jì)中得到了成功應(yīng)用。
關(guān) 鍵 詞 探地雷達(dá); 天線設(shè)計(jì); 瞬態(tài)脈沖信號; 背腔天線

Engineering Design of the Transient Back-Cavity Bowtie Antenna
ZHOU You PAN Jin NIE Zai-ping
(School of Electronic Engineering, UEST of China Chengdu 610054)
Abstract An effective method is proposed for the design of the transient back-cavity bowtie antenna for ground-penetrating radar(GPR)applications, which is based on the demand that the maximum energy of the transient signal ought to be emitted downward to the earth in GPR. In the process of the design the frequency band of the antenna is first determined by analyzing the frequency spectrum of the transient pulse to be radiated, and then the structure sizes of both the antenna and back cavity can hereby be found easily with the presented method. The proposed method for the antenna design, having great facility in the engineering applications, has been validated by experiments and numerical simulation results. Otherwise, a GPR system, based on such-designed antenna with good performance in the buried- object detections, was developed with success.
Key words GPR; antenna design; transient pulse signal; cavity antenna
探地雷達(dá)中除要求收發(fā)天線要有良好的對地輻射性能外，還要求天線具有極大的瞬時(shí)帶寬，這給時(shí)域探地雷達(dá)的天線設(shè)計(jì)提出了很大挑戰(zhàn)，并使其成為探地雷達(dá)中最重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前，用于窄脈沖信號輻射的天線主要有TEM喇叭、領(lǐng)結(jié)天線和加載天線等形式[1,2]，其中領(lǐng)結(jié)形天線能較好的兼顧瞬時(shí)帶寬、信號保形以及有效輻射等方面的性能，而且制作簡單、輕便，是探地雷達(dá)所采用的一種主流天線。但是，領(lǐng)結(jié)天線的輻射方向圖類似于偶極天線，即在H面近似為全向輻射[3]，也就是信號在對地向下輻射和接收的同時(shí)也向地面上方有同等強(qiáng)度的信號輻射和接收，這給探地雷達(dá)的目標(biāo)探測應(yīng)用造成了不利。為了改善領(lǐng)結(jié)天線的以上不足，提高雷達(dá)系統(tǒng)的信噪/雜比，增強(qiáng)天線的對地輻射能力，將領(lǐng)結(jié)天線放入金屬背腔內(nèi)形成背腔式天線是一種行之有效辦法[4]。同時(shí)，采用背腔結(jié)構(gòu)還可以提高收發(fā)天線間的隔離度。
本文通過分析探地雷達(dá)輻射脈沖的信號頻譜，結(jié)合探地雷達(dá)要求信號最大能量對地輻射的原則設(shè)計(jì)一種快速有效的時(shí)域背腔式領(lǐng)結(jié)天線。
1 時(shí)域背腔領(lǐng)結(jié)天線的設(shè)計(jì)
1.1 時(shí)域脈沖天線的頻帶設(shè)計(jì)要求
脈沖體制探地雷達(dá)的窄脈沖瞬態(tài)信號具有寬帶的頻譜成分，其頻譜通過傅里葉變換求得。如對于4 ns高斯脈沖，該信號的主要能量集中在125～505 MHz，信號最強(qiáng)頻點(diǎn)為315 MHz。其頻譜特性決定了適合該信號收發(fā)的超寬帶天線應(yīng)以315 MHz為中心頻率，并要求覆蓋125～505 MHz的頻段進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1.2 脈沖領(lǐng)結(jié)天線的設(shè)計(jì)
無限長雙錐天線是一種寬頻帶天線，這是因?yàn)樗妮斎胱杩咕哂蓄l率不變性，帶寬無限。對于有限長雙錐天線，高頻端的特性仍然可以保持，但其低頻輻射性能會(huì)降低，天線的長度決定了天線的低端工作頻率，頻帶可以通過增大錐角來展寬，因此雙錐天線的寬帶特性使其可作為一種理想的脈沖天線。通常鑒于工程使用和加工的便利，一種雙錐天線的變形──領(lǐng)結(jié)天線在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。它具有和雙錐天線很相似的電性能，而且是平面結(jié)構(gòu)，適合用作探地雷達(dá)的收發(fā)天線。領(lǐng)結(jié)天線在張角較大時(shí)具有和雙錐天線類似的寬頻帶特性，張角越大，它的頻帶就越寬。在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)尺寸和性能的要求一般選擇張角在60°～90°之間。天線的臂長是決定天線低端頻率的重要參數(shù)，天線臂越長，天線低頻覆蓋性能越好，其長度與低頻端波長的關(guān)系由下式給出[5]：

1.3 天線背腔的設(shè)計(jì)
良好的背腔設(shè)計(jì)應(yīng)在屏蔽地面上干擾信號，抑制后向輻射的同時(shí)增大天線的對地輻射增益，因此合理設(shè)計(jì)背腔尺寸是影響背腔領(lǐng)結(jié)天線性能的關(guān)鍵因素。理想的時(shí)域背腔式天線設(shè)計(jì)需通過大量數(shù)值計(jì)算進(jìn)行仿真來確定良好的背腔尺寸，不便于雷達(dá)系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)應(yīng)用。對于有效抑制后向輻射和增大天線前向輻射增益的要求，背腔設(shè)計(jì)中大面積的背腔頂面對天線的鏡像作用是影響背腔式天線輻射性能的主要因素。考慮到任何一個(gè)確定尺寸的背腔相對于寬帶脈沖信號而言都是一個(gè)窄帶系統(tǒng)，故決定鏡像作用效果的背腔高度設(shè)計(jì)應(yīng)針對脈沖信號的最強(qiáng)頻點(diǎn)來確定。該思想為時(shí)域背腔式天線的工程化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。