一种用于探地雷达的宽带定向偶极子天线

技术领域

本发明涉及探地雷达的设计领域，特别涉及一种用于探地雷达的宽带定向偶极子天线。

背景技术

探地雷达是用频率介于25MHz～4000MHz的高频电磁波来对地下媒质的几何结构、空间位置以及埋藏深度进行合理评估和推测的地球物理方法。探地雷达具有经济环保、高效无损、可以实现高分辨率成像等特点，因此被广泛应用于工程检测、环境保护、文物考古、灾害救援、资源探测、水文水利等领域。探地雷达工作于地表，需要向地下发射探测信号，如果采用全向天线，不仅向地下发射的信号能量较小，且探测过程中探地雷达周围的地表环境也会对接收信号产生干扰，严重影响探地雷达的探测精度，因此探地雷达天线设计的重心已经向着定向天线转移。

天线是雷达系统最重要的部件之一，天线在雷达系统中主要有两个方面的作用：一是实现电路系统中的导行波与自由空间波的自由转换；二是实现自由空间波的定向发射与接收。由于探地雷达的工作频率一般为100MHz～1GHz，而适合此频段的传统定向天线如喇叭天线、Vivaldi天线等往往具有较大的尺寸和重量；并且探地雷达天线还要满足特定的要求，如良好的辐射波形、时域方向图、阻抗匹配等，因此定向天线的设计是整个探地雷达系统设计的难点所在。

偶极子天线具有结构简单、辐射性能好等特点，是雷达系统中常见的天线。但由于偶极子天线工作带宽较窄且不具有定向辐射的特性，使得常规偶极子天线无法满足探地雷达对天线性能的要求，因此研制一种宽频带、高定向性、适合于探地雷达系统的偶极子天线是探地雷达系统开发中亟需解决问题。

发明内容

针对偶极子天线工作带宽较窄且不具有定向辐射的特性，使得常规偶极子天线无法满足探地雷达对天线性能的要求的问题，本发明提供一种用于探地雷达的宽带定向偶极子天线，天线工作频率为140MHz～250MHz，中心频点为195MHz，时域波形保真度高，前后向辐射波形幅度比大于10dB，且厚度不大于13cm。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于探地雷达的宽带定向偶极子天线，包括偶极子天线本体和半包围的吸波结构；

所述吸波结构具有一开口侧，偶极子天线本体设置在吸波结构中并位于开口侧，偶极子天线本体通过同轴馈电线与吸波结构连接；

所述吸波结构由内而外依次包括微结构金属单元、吸波层和发射板，微结构金属单元的频率选择表面位于靠近偶极子天线本体的一侧，微金属块铺设与吸波层的表面，吸波层粘接在发射板上。

优选的，所述微结构金属单元由若干微金属块呈阵列排布形成。

优选的，所述吸波层为镍锌磁性制成的吸波板。

优选的，所述吸波结构的横截面为喇叭状。

优选的，所述吸波结构包括顶部反射板，以及设置在其两侧并向下延伸的侧反射板，两个侧反射板倾斜设置。

优选的，所述偶极子天线本体包括天线基板，以及设置在其顶面和底面的天线片，两个天线片分别位于天线基板的两端，并且两个天线片相互靠近的一端的垂直投影相互重合。

优选的，所述天线片的一端设置馈电结构，并位于天线基板的中部，馈电结构的两侧对称设置有寄生单元，寄生单元的一端与馈电结构连接，另一端沿两个天线片的排布方向延伸，并且其端部超过馈电结构的端部，两个天线片上的寄生单元的垂直投影相互重合。

优选的，所述寄生单元的平面为正梯形，梯形的斜边位于延长端。

优选的，所述天线基板顶部的天线片位于靠近吸波结构的一侧。

优选的，所述馈电结构为三角形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种用于探地雷达的宽带定向偶极子天线，采用了微结构金属单元组成的频率选择表面、吸波层以及金属反射板组成的超薄宽带吸波结构，后向传播的辐射信号得到了极大程度的吸收，使得天线具有很高的定向性。镍锌磁性吸波材料具有宽带吸波特性，微结构金属单元组成的频率选择表面用于调节吸波材料与自由空间的阻抗匹配，减少了入射波的反射，金属反射板减小了透射波，二者进一步提高了镍锌磁性吸波材料的吸收效果。该宽带定向偶极子天线的工作频带宽，寄生单元的利用，使得天线在130MHz～240MHz的宽频带范围内回波损耗小于-10dB，回波损耗曲线平滑，波动小，有利于辐射瞬态脉冲，相对带宽为56.4％，已经属于超宽带天线，能够同时满足探测距离和分辨率的需求。

附图说明

图1为本发明金属偶极子天线片以及介质基板的顶端视图；

图2为本发明微结构金属单元以及镍锌磁性吸波材料的斜视图；

图3为本发明天线的侧视图；

图4为本发明天线仿真运行的回波损耗曲线坐标图；

图5是本发明天线在190MHz时的天线辐射方向图。

图中：1-基板顶端天线片，2-基板底端天线片，3-天线基板，4-寄生单元，5-微结构金属单元，6-吸波层，7-反射板，8-连接结构，9-同轴馈电线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1-4，一种用于探地雷达的宽带定向偶极子天线，包括偶极子天线本体和半包围的吸波结构；

所述吸波结构具有一开口侧，偶极子天线本体设置在吸波结构中并位于开口侧，偶极子天线本体通过同轴馈电线9与吸波结构连接。

参阅图2，吸波结构由内而外依次包括微结构金属单元、吸波层和发射板7，微结构金属单元位于靠近偶极子天线本体的一侧，微结构金属单元由若干微金属块呈阵列排布形成，微金属块铺设与吸波层6的表面，吸波层6粘接在发射板7上。

若干微金属块呈矩形阵列排布，每个微金属块为方形，其边长小于15mm，相邻两个微金属块之间的间距小于5mm。微结构金属单元形成的频率选择表面设置在吸波层面向偶极子天线本体的一侧，用于调节吸波材料与自由空间的阻抗匹配。

制备时，将金属板铺设在吸波层上，然后通过光腐蚀雕刻，使金属板形成设定的微结构金属单元。

吸波层6为镍锌磁性制成的吸波板，通过调节金属微结构单元的参数以及吸波层6的厚度，调节整个吸波结构吸收电磁波的频带。吸波层厚度不大于10mm。

所述吸波结构的横截面为底部开口的梯形，包括顶部反射板和设置在两侧并向下延伸的侧反射板，两个侧反射板倾斜设置。

在另一实施例中，所述吸波结构的横截面内凹的弧形。

偶极子天线本体包括天线基板3，以及结构相同的基板顶端天线片1和基板底端天线片2，基板顶端天线片1设置在天线基板3的顶面，基板底端天线片2设置在天线基板3的底面，并且基板顶端天线片1位于靠近吸波结构的一侧，也就是基板顶端天线片1正对微结构金属单元5。

基板顶端天线片1和基板底端天线片2分别位于天线基板3的两端，并且基板顶端天线片1和基板底端天线片2相互靠近的一端的垂直投影相互重合。

基板顶端天线片1为矩形薄片，其一端为三角形的馈电结构，并位于天线基板的中部，馈电结构的两侧对称设置有寄生单元4，寄生单元4的一端与基板顶端天线片1连接，另一端沿基板顶端天线片和基板底端天线片的排布方向延伸，并且其端部超过三角形的尖端，基板顶端天线片1和基板底端天线片2的寄生单元4的垂直投影相互重合。

所述寄生单元的平面为直角梯形，梯形的斜边位于延长端，通过调节基板顶端天线片1和基板底端天线片2的寄生单元4的投影重合区域的面积控制偶极子天线本体的输入阻抗，增大工作带宽。

寄生单元长底边的长度不大于35mm，短底边长度不大于50mm，宽度不大于15mm。

所述板顶端天线片1和基板底端天线片2的宽度小于200mm，长度小于800mm。

天线基板宽度不大于210mm，长度不大于820mm，厚度不大于2mm。

基板顶端天线片1前端为三角形馈电结构，天线片后端为矩形，与同轴馈电线9相连的端口宽度不大于8mm。

同轴馈电线9的下端连接偶极子天线本体的馈电端口，向天线传输信号，天线基板的中心连接，其上端与顶部反射板连接，天线基板的两端分别设置有连接结构，天线基板的两端通过连接结构与顶部反射板连接。

所述连接结构8为支撑柱，共6个支撑柱，均分在天线基板的两端，将偶极子天线本体悬空设置在吸波结构中，支撑柱长度不大于110mm，直径不大于10mm。

仿真验证

如图4所示，本发明的一种用于探地雷达的宽带定向偶极子天线的仿真回拨损耗曲线图，天线的中心频率为190MHz，在130MHz～240MHz频带范围内回波损耗小于-10dB，显示出宽带定向偶极子天线具有良好的宽带特性。整个曲线平滑，波动小，有利于辐射瞬态脉冲。对于常见的瞬态脉冲探地雷达，若采用脉冲宽度为2.3ns的一阶高斯脉冲作为信号源，其能量大部分集中在130MHz～270MHz左右的频带范围内，因此本发明宽带定向偶极子天线能够将大部分的能量发射出去。

如图5所示，本发明宽带定向偶极子天线的远场辐射波形图显示出天线具有良好的定向性，前后向辐射波形幅度比大于10dB，半功率波束角大于80°。

本发明的一种用于探地雷达的宽带定向偶极子天线整体尺寸小，结构紧凑，整体厚度不超过130mm，宽度不超过350mm，长度不超过900m。可用于地表探地雷达系统，也可用于机载探地雷达系统。

其次，该宽带定向偶极子天线的工作频带宽，寄生单元的利用，使得天线在130MHz～240MHz的宽频带范围内回波损耗小于-10dB，回波损耗曲线平滑，波动小，有利于辐射瞬态脉冲，相对带宽为56.4％，已经属于超宽带天线，能够同时满足探测距离和分辨率的需求。

最后，该宽带定向偶极子天线具有良好的定向性，由于采用了微结构金属单元组成的频率选择表面与镍锌磁性吸波材料以及金属反射板组成的超薄宽带吸波结构，后向传播的辐射信号得到了极大程度的吸收，使得天线具有很高的定向性。镍锌磁性吸波材料具有宽带吸波特性，微结构金属单元组成的频率选择表面用于调节吸波材料与自由空间的阻抗匹配，减少了入射波的反射，金属反射板减小了透射波，二者进一步提高了镍锌磁性吸波材料的吸收效果。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。