宽频带探地雷达天线的分析

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1、绪论o

2、-2[-1盈012．。0：5'050．05图2常用雷达脉冲形状，时间单位为m对于地下目标探测应用，脉冲宽度(半高宽)一般为lm(毫微妙)到0．1m，分时取样技术按时间序列对雷达回波取样，其中时间分辨率为ps(微微秒)量级，这样，在一般土壤或沙地中(相对介电常数约为9)，可以分辨的垂直位移达毫米量级。发射脉冲中的低频成分可以穿透较深的土壤，而高频成分可以使反射物体雷达回波的时间分辨率更高。这就是地下目标探测中普遍采用无载波脉冲和分时取样技术的主要原因。类似于普通探空雷达，探地雷达也是利用高频电磁波束的反射探铡目标。探空雷达发射的高频电磁波是

3、在几乎无耗介质中传播，探钡4距离大；而探地雷达发射的高频电磁波是在有耗介质中传播，探测距离比较近，探地雷达探测的是地下埋藏的目标物体，不需要快速跟踪技术，其特点主要有：1．发射波形调制方式探地雷达发射波形调制方式主要有调幅波、调频连续波、连续波、无载波脉冲．现今的探地雷达系统中常采用无载波脉冲，因为其分辨率高，穿透能力比较强。无载波脉冲又依次分为高斯脉冲、微分高斯脉冲和调制高斯脉冲(4l(如8fi2)。2．对天线的要求由于探地雷达收发信号都是脉冲信号，因此，要求探地雷达天线能够有效辐射脉冲信号，即辐射效率要高：同时对脉冲波形中的拖尾有较好的抑制或

4、者延迟，以避免其与来自目标的有用信号相重叠，造成后面的判决电路的判决失误。另外要求接收．发射天线之间的互耦要小。3．天线的设计因为探地雷达天线辐射或接收窄脉冲信号，所以天线必须具有宽频带特性。现今应用于探地雷达的天线主要有四种：宽带振子天线【”(elememantenna)、行波天线‘61(traveling-waveantenna)、频率无关天线‘”(fi'equency-indep商dentantenna)、开孔天线【8】(apertureantenna)·(1)宽带振子天线的特点是低方向性，线性极化和有效带宽，可用加载方法使频带变宽，但随之

5、天线的辐射效率降低。其主要优点是体积小，可在场地狭窄条件下使用；振子天线辐射特征很容易分析，5东南大学硕士学位论文设计依据充分。12)行波天线上的电流分布可以用一个行波表示，因此其带宽很宽。典型的如端射V形天线，具有线性相位特征，已在许多探地雷达中应用。(3)频率无关天线，其形状完全由螺旋角来决定，因而性能与频率无关。平面结构盼对数周期天线与双臂阿基米德螺旋天线就是这种设计的典型。一般来说，这类天线多采用自阻抗补偿，脉冲的频率响应宽，但相位响应是非线性的。高分辨率宽带雷达系统使用这种天线时，要作相位校正。(4)开孔天线。典型的如喇叭形天线，工作原

6、理与行波天线类似，用于短距离高分辨率的调频连续波探地雷达。其特点是体积小，天线带宽宽。综上所述，由于发射波形与天线的种类不同，可形成各种探地雷达。但共性是探地雷达天线的带宽很宽，脉冲拖尾要小要短，即冗余脉冲要少。目前国内普遍采用的是加拿大的EKKO探地雷达和美国的SIR-10，但是这些探地雷达工作的带宽比较窄，并且都是采用不同的中心频率工作来进行不同的目标识别，其中工作频率相对较高的加拿大EKK0探地雷达天线的频率上限只有900Eqz，这显然不能满足现今对地下目标的分辨率要求。因此，针对以上所述的探地雷达特点和要求，本文主要研究超宽频带、无载波脉

7、冲探地雷达天线，并重点考虑解决脉冲拖尾的问题。三．本文的工作在对已有脉冲天线分析研究的基础上。本文主要做了以下几个方面的工作：1．对微带馈电槽线喇叭天线进行了仿真研究，在此基础上研制了Ⅵvaldi天线、带BALUN结构的Vivaldi超宽带天线和改进的Vivaldi天线。2．针对天线辐射波形中的脉冲拖尾问题，实现了一种带有延迟线的Vivaldi天线。本文的章节安排如下：第一章主要介绍了带宽天线的一些性能指标，以及对天线带宽的各种定义形式，并介绍了常见的宽带天线及设计思想和方法，包括：1)采用机电结合方法，精心设计天线结构，使之适应宽频带工作；2)

8、利用插入阻抗元件或者网络来展宽天线的工作带宽；3)旋转对成结构的宽带振子天线；4)宽频带行波天线：5)频率无关天线；6)多模方式来展宽工作带宽．第二章详细讨论了双锥天线、三角形偶极天线、加载天线和槽线(缝隙)天线四种典型的宽带天线，并分析了这些天线的特性，以及带宽，方向性图等指标。在此基础上提出了适用于探地雷达的宽频带天线方案，以槽线天线作为基本设计模型。第三章就微带馈电槽线天线进行了详细的分析，分析TVivaldi(指数锥削)，LTSA(线性锥削)和CWSA(恒定宽度，无锥削)三种形状的槽线天线的特点。通过仿真和试验比较，确定了以Vivaldi

9、(指数锥削)槽线天线为基本设计模型，根据不同的需要，研制TVivaldi天线、带BALUN结构的Vivaldl超宽带天线和改进的Viva