时域背腔式领结天线的工程化设计

通过分析时域脉冲辐射信号的频谱，确定了天线的工作频率和带宽，并根据在探地雷达应用中满足信号最大能量对地辐射的要求，提出了一种快速有效的时域背腔式领结天线的设计方法，该方法简便实用，便于在探地雷达系统的整体工程化设计中使用。所提出建立的方法得到了实验和数值仿真结果的验证，并在探地雷达整机的开发和设计中得到了成功应用。
关 键 词 探地雷达; 天线设计; 瞬态脉冲信号; 背腔天线

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
探地雷达中除要求收发天线要有良好的对地辐射性能外，还要求天线具有极大的瞬时带宽，这给时域探地雷达的天线设计提出了很大挑战，并使其成为探地雷达中最重要的关键技术。目前，用于窄脉冲信号辐射的天线主要有TEM喇叭、领结天线和加载天线等形式[1,2]，其中领结形天线能较好的兼顾瞬时带宽、信号保形以及有效辐射等方面的性能，而且制作简单、轻便，是探地雷达所采用的一种主流天线。但是，领结天线的辐射方向图类似于偶极天线，即在H面近似为全向辐射[3]，也就是信号在对地向下辐射和接收的同时也向地面上方有同等强度的信号辐射和接收，这给探地雷达的目标探测应用造成了不利。为了改善领结天线的以上不足，提高雷达系统的信噪/杂比，增强天线的对地辐射能力，将领结天线放入金属背腔内形成背腔式天线是一种行之有效办法[4]。同时，采用背腔结构还可以提高收发天线间的隔离度。
本文通过分析探地雷达辐射脉冲的信号频谱，结合探地雷达要求信号最大能量对地辐射的原则设计一种快速有效的时域背腔式领结天线。
1 时域背腔领结天线的设计
1.1 时域脉冲天线的频带设计要求
脉冲体制探地雷达的窄脉冲瞬态信号具有宽带的频谱成分，其频谱通过傅里叶变换求得。如对于4 ns高斯脉冲，该信号的主要能量集中在125～505 MHz，信号最强频点为315 MHz。其频谱特性决定了适合该信号收发的超宽带天线应以315 MHz为中心频率，并要求覆盖125～505 MHz的频段进行设计。
1.2 脉冲领结天线的设计
无限长双锥天线是一种宽频带天线，这是因为它的输入阻抗具有频率不变性，带宽无限。对于有限长双锥天线，高频端的特性仍然可以保持，但其低频辐射性能会降低，天线的长度决定了天线的低端工作频率，频带可以通过增大锥角来展宽，因此双锥天线的宽带特性使其可作为一种理想的脉冲天线。通常鉴于工程使用和加工的便利，一种双锥天线的变形──领结天线在实际工程中得到广泛应用。它具有和双锥天线很相似的电性能，而且是平面结构，适合用作探地雷达的收发天线。领结天线在张角较大时具有和双锥天线类似的宽频带特性，张角越大，它的频带就越宽。在设计时根据系统尺寸和性能的要求一般选择张角在60°～90°之间。天线的臂长是决定天线低端频率的重要参数，天线臂越长，天线低频覆盖性能越好，其长度与低频端波长的关系由下式给出[5]：

1.3 天线背腔的设计
良好的背腔设计应在屏蔽地面上干扰信号，抑制后向辐射的同时增大天线的对地辐射增益，因此合理设计背腔尺寸是影响背腔领结天线性能的关键因素。理想的时域背腔式天线设计需通过大量数值计算进行仿真来确定良好的背腔尺寸，不便于雷达系统的工程化设计应用。对于有效抑制后向辐射和增大天线前向辐射增益的要求，背腔设计中大面积的背腔顶面对天线的镜像作用是影响背腔式天线辐射性能的主要因素。考虑到任何一个确定尺寸的背腔相对于宽带脉冲信号而言都是一个窄带系统，故决定镜像作用效果的背腔高度设计应针对脉冲信号的最强频点来确定。该思想为时域背腔式天线的工程化设计提供了基础。