一种探地雷达超宽带折叠型天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体是一种探地雷达超宽带折叠型天线。

背景技术

随着城市化进程不断加快，人口数量激增，城市地面空间已逐渐无法满足需求。从地下交通建设到地下商场开发，由地面向地下空间拓展已成为了一种必然趋势。然而，盲目开发地下空间将会导致路面塌陷等危险情况。因此，利用物探方法先行探测，识别地下空间分布具有重大现实意义。

探地雷达作为一种高效、高分辨率、无损的电磁探测方法，在地球物理领域得到了广泛的应用。从最初测量极地冰层厚度，到现在已被广泛应用在城市地下空间探测，地下管线识别，工程地质勘探，考古，军事等多个领域。探地雷达通过发射天线向地下发射高频电磁波，由于地下介质电性参数的差异，电磁波会在界面处发生反射，利用接收天线接收由地下介质反射的电磁波，通过分析电磁波剖面图可以判断地下介质的分布情况。

探地雷达系统一般由发射机、接收机、天线和上位机构成。天线作为发射和接收设备，在整个雷达系统中尤为重要，是直接影响整个探地雷达系统性能的关键技术，设计超宽带天线是一个十分重要的环节；时域探地雷达和频域探地雷达都要求天线具有良好的辐射方向增益和超宽带特性。

现有的天线普遍存在频带窄、效率低以及方向性差的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种探地雷达超宽带折叠型天线，以解决上述背景技术中提出的现有的天线频带窄、效率低以及方向性差的缺点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种探地雷达超宽带折叠型天线，包括：

基板，所述基板配置为两具有夹角的绝缘介质板；

对称折叠设置在两个所述绝缘介质板上的天线贴片构成天线臂，所述天线臂的末端具有两个截断臂，所述截断臂的末端各设置有输出部分；

屏蔽罩，所述屏蔽罩的前端设有V型开口，后端形成背腔；两绝缘介质板安装在V型开口处。

作为本发明进一步的方案：两个天线贴片之间留有间隙，所述间隙上安装有与两个天线贴片连接的馈电端口，所述输出部分包括电阻和电阻上分别连接的金属条带，并在截断臂的末端开设圆形槽；在天线臂两侧设置有椭圆臂来增大天线张角。

作为本发明再进一步的方案：所述天线臂的长度为L，张角为θ

作为本发明再进一步的方案：所述天线臂长L为510至530mm，臂宽W为460至480mm。

作为本发明再进一步的方案：所述天线两侧椭圆臂轴比e为0.2至0.4。

作为本发明再进一步的方案：所述圆形槽半径R为50至60mm。

作为本发明再进一步的方案：所述天线两侧截断臂长cut1为160至180mm。

作为本发明再进一步的方案：所述背腔的最低高度为h

作为本发明再进一步的方案：所述天线贴片、金属条带和背腔的材料为铜、金、铝或锡。

作为本发明再进一步的方案：所述基板的材质为环氧树脂玻璃纤维布层压板；基板的宽度为220至235mm，长度为540至560mm，厚度为1.3至2.0mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过采用在传统天线两侧截断臂，缩小天线的尺寸，降低天线的最低工作频点，拓宽天线的阻抗带宽；截臂后天线两侧设置椭圆臂，相当于增大天线张角，有效地扩展了天线的带宽；采用末端电阻加载的方法，吸收天线臂末端反射电流，有效减小了天线末端震荡产生的波形拖尾，提高天线的波形保真度；采用在天线臂末端开槽，改善天线表面电流分布情况，增加电流朝加载电阻位置的聚拢作用，更好吸收末端反射电流；将天线折叠，使天线正面辐射方向图占据主导地位，提高天线的辐射增益；最后，在天线背面增加了金属屏蔽腔提高天线的定向增益和抗干扰能力，使天线具有良好的定向性；本发明天线与现有天线对比有频带宽、方向性好、分辨率高的优点。

本文在传统的领结型天线的基础上，采用截臂和椭圆臂结构加载，末端电阻加载并采用开槽，将天线折叠并在其后方加金属屏蔽的方法。结合结构加载、末端加载和屏蔽结构加载实现小型化要求，使天线-10dB下的带宽提高到359MHz，满足超宽带天线标准。

本发明折叠天线的工作频率范围为60～419Mhz,S11<-10dB，中心频率为268Mhz，工作频带带宽为359Mhz，相对带宽高达134％，能够满足超宽带天线的工作范围。通过折叠和屏蔽罩等一系列操作，天线在中心频率附近的回波损耗可达到-29dB，提高了天线的探测分辨率；优于传统的领结型天线。

附图说明

图1为本发明实施例中探地雷达超宽带折叠型天线的结构示意图。

图2为本发明实施例中探地雷达超宽带折叠型天线的效果对比图。

图3为按照本发明的一优选实施例所构建的探地雷达的辐射增益图。

附图中：11-第一蝶形天线贴片；12-第二蝶形天线贴片；21-第一绝缘介质板；22-第二绝缘介质板；3-椭圆臂；4-碳膜电阻；51-第一椭圆槽；52-第二椭圆槽；61-第一金属条带；62-第二金属条带；7-输入端口；8-折叠；9-金属屏蔽腔。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

请参阅图1，本发明实施例中，一种探地雷达超宽带折叠型天线，包括：基板，所述基板配置为两具有夹角的绝缘介质板；对称折叠设置在两个所述绝缘介质板上的天线贴片构成天线臂，所述天线臂的末端具有两个截断臂，所述截断臂的末端各设置有输出部分；屏蔽罩，所述屏蔽罩的前端设有V型开口，后端形成背腔；背腔作为金属屏蔽腔9屏蔽天线射向背腔方向的电磁波，提高天线的定向性。两绝缘介质板分别为第一绝缘介质板21、第二绝缘介质板22，安装在V型开口处。

具体的，两个天线贴片分别为第一蝶形天线贴片11、第二蝶形天线贴片12，所述第一蝶形天线贴片11与第二蝶形天线贴片12之间留有间隙，所述间隙上安装有与两个天线贴片连接的馈电端口作为输入端口7，所述输出部分包括电阻和电阻上分别连接的金属条带，并在截断臂的末端开设圆形槽；所述电阻选用碳膜电阻4，可以吸收天线臂末端反射电流，有效减小了天线末端震荡产生的波形拖尾，提高天线的波形保真度。在天线臂两侧设置有椭圆臂3来增大天线张角。所述天线臂的长度为L，张角为θ

也可分别在天线两侧截断臂的末端开设第一椭圆槽51、第二椭圆槽52，相应的，所述金属条带分别为第一金属条带61和第二金属条带62。

综上所述，通过采用在传统天线两侧截断臂，缩小天线的尺寸，降低天线的最低工作频点，拓宽天线的阻抗带宽；截臂后天线两侧设置椭圆臂3，相当于增大天线张角，有效地扩展了天线的带宽；采用末端电阻加载的方法，吸收天线臂末端反射电流，有效减小了天线末端震荡产生的波形拖尾，提高天线的波形保真度；采用在天线臂末端开槽，改善天线表面电流分布情况，增加电流朝加载电阻位置的聚拢作用，更好吸收末端反射电流；将天线折叠，使天线正面辐射方向图占据主导地位，提高天线的辐射增益；最后，在天线背面增加了金属屏蔽腔提高天线的定向增益和抗干扰能力，使天线具有良好的定向性；本发明天线与现有天线对比有频带宽、方向性好、分辨率高的优点。

请参阅图1，本发明的另一个实施例中，所述天线臂长L为510至530mm，臂宽W为460至480mm。所述天线两侧椭圆臂轴比e为0.2至0.4。所述圆形槽半径R为50至60mm。所述天线两侧截断臂长cut1为160至180mm。所述天线的折叠8的折叠角度α为0°～30°；所述背腔的最低高度为h1，背腔的最大高度为h，其中，h1为30至40mm，h为160至175mm。

请参阅图1，本发明的另一个实施例中，所述天线贴片、金属条带和背腔的材料为铜、金、铝或锡。所述天线贴片和金属条带为通过印刷电路板工艺印制在绝缘介质板上的铜箔，背腔为厚度0.5mm白铜材料。所述基板的材质为环氧树脂玻璃纤维布层压板；基板的宽度为220至235mm，长度为540至560mm，厚度为1.3至2.0mm。

根据预期设计天线的中心频率及实际需要，一优选实施例中，天线变量参数及取值如表1所示：

表1天线变量参数

将发明设计的超宽带折叠型天线进行仿真得到天线端口的回波损耗曲线与现有的天线对比如图2所示：图2中可以看出本发明实施例设计的折叠天线的工作频率范围为60～419Mhz,S11<-10dB，工作频带内-10dB下的带宽提高到359MHz，相对带宽达134％，能够满足超宽带天线的工作范围。将天线折叠和金属屏蔽腔后中心频率附近回波损耗低至-29dB，表明天线的方向性得到了很大的提高。通过比较，证明了该天线优于传统的领结型天线。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的探地雷达的辐射增益图，如图3所示，天线辐射的电磁波主要集中在天线底面，而探地雷达工作时只需要向地下发射电磁波，因此，在天线背面加金属背腔9提高天线的方向性，阻止背向环境中的电磁波干扰，来获得更好的探测效果。

本发明实施例基于传统领结型天线进行改进，采用截臂和椭圆臂结构加载，末端电阻加载并采用开槽的方法。在天线后方加金属屏蔽腔。通过结构加载、末端加载和屏蔽结构加载结合的方式实现小型化要求，-10dB下的带宽提高到359MHz，满足超宽带天线的标准。中心频率附近回波损耗低至-29dB，天线的方向性增益得到了明显提高，提高了天线的探测分辨率，与传统的探地雷达天线相比，本文设计的叠探地雷达超宽带折天线有频带宽、方向性好、分辨率高等优点。

本发明的工作原理：通过采用在传统天线两侧截断臂，缩小天线的尺寸，降低天线的最低工作频点，拓宽天线的阻抗带宽；截臂后天线两侧设置椭圆臂，相当于增大天线张角，有效地扩展了天线的带宽；采用末端电阻加载的方法，吸收天线臂末端反射电流，有效减小了天线末端震荡产生的波形拖尾，提高天线的波形保真度；采用在天线臂末端开槽，改善天线表面电流分布情况，增加电流朝加载电阻位置的聚拢作用，更好吸收末端反射电流；将天线折叠，使天线正面辐射方向图占据主导地位，提高天线的辐射增益；最后，在天线背面增加了金属屏蔽腔提高天线的定向增益和抗干扰能力，使天线具有良好的定向性。

需要说明的是，本发明所采用的电阻、馈电端口及金属条带均为现有技术的应用，本专业技术人员能够根据相关的描述实现所要达到的功能，或通过相似的技术实现所需完成的技术特性，在这里就不再详细描述。

本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。