葛薇 劉闖 元勇虎 朱今祥 陳娟

摘??要??為了提高探地雷達(dá)天線(xiàn)的增益，增加地下目標(biāo)探測(cè)的深度，本文提出了在探地雷達(dá)天線(xiàn)輻射端加載透鏡的方法.?通過(guò)對(duì)阿基米德螺旋天線(xiàn)分別加載圓環(huán)式透鏡、超材料透鏡和介質(zhì)平板透鏡進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對(duì)天線(xiàn)加載透鏡與否的回波損耗和增益進(jìn)行對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，加載不同的透鏡均可提高天線(xiàn)增益.?三種透鏡均具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易加工的優(yōu)勢(shì)，除此之外也各有特點(diǎn)，選擇透鏡時(shí)，需要綜合考慮探地雷達(dá)天線(xiàn)的回波損耗、增益、工作頻率與尺寸大小.

關(guān)鍵詞??透鏡；探地雷達(dá)；天線(xiàn)；回波損耗；增益

Design?of?radiation?end?lens?for?ground?penetrating?radar?antenna

Ge?Wei1??Liu?Chuang1??Yuan?Yonghu1??Zhu?Jinxiang1??Chen?Juan2

1.China?Research?Institute?of?Radiowave?Propagation??ShandongQingdao??266107;?2.?Xian?Jiao?Tong?University??ShaanxiXian??710071

Abstract??In?order?to?improve?the?gain?of?ground?penetrating?radar?antenna?and?increase?the?depth?of?subsurface?target?detection，?a?method?of?loading?lens?at?the?radiation?end?of?ground?penetrating?radar?（GPR）?antenna?is?proposed?in?the?paper.?After?we?simulate?the?Archimedes?spiral?antenna?with?toroidal?lens，?metamaterial?lens?and?dielectric?plate?lens?respectively?and?compare?the?return?loss?and?gain?of?the?antenna?loading?with?or?without?lens，?it?is?found?that?the?antenna?gain?can?be?improved?by?loading?different?lenses.?All?the?three?kinds?of?lenses?have?the?advantages?of?simple?structure，?low?cost?and?easy?processing.?In?addition，?they?also?have?their?own?characteristics.?When?selecting?the?lens，?we?should?consider?the?return?loss，?gain，?frequency?and?size?of?GPR?antenna?comprehensively.

Keywords：lens;?GPR;?antenna;?return?loss;?gain

如何提高探地雷達(dá)的探測(cè)深度是地下目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域共同關(guān)注的問(wèn)題，而提高天線(xiàn)的增益是提高探深的重要手段。近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者嘗試通過(guò)在天線(xiàn)輻射端加載透鏡來(lái)提高天線(xiàn)增益，如常見(jiàn)的介質(zhì)凸透鏡。介質(zhì)凸透鏡原是一種用于使光線(xiàn)聚焦的光學(xué)器件，用于天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，將弱方向性天線(xiàn)置于透鏡的一個(gè)焦點(diǎn)或焦平面上，饋源所輻射的球面波經(jīng)透鏡折射后轉(zhuǎn)變?yōu)榭趶矫娴钠矫娌?，從而極大地提高了天線(xiàn)的增益，降低了天線(xiàn)的旁瓣和后瓣。蘇格蘭ADROK公司基于其提出的原子介電共振（ADR）理論設(shè)計(jì)了一款可進(jìn)行深地探測(cè)的探地雷達(dá)[1-2]。為了使天線(xiàn)輻射出準(zhǔn)直、相干、聚焦的電磁波，天線(xiàn)輻射端加載了菲涅爾透鏡[3]。這一關(guān)鍵技術(shù)使得整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)深度最深可達(dá)4km。國(guó)內(nèi)西安電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)了介質(zhì)透鏡加載的TEM喇叭天線(xiàn)和加載超材料透鏡的屏蔽蝶形天線(xiàn)[4]，天線(xiàn)增益最高可達(dá)11dB。但是，加載介質(zhì)透鏡會(huì)引入嚴(yán)重的振鈴效應(yīng)，波形失真嚴(yán)重。并且當(dāng)在低頻段設(shè)計(jì)介質(zhì)透鏡或組陣時(shí)，毫米波透鏡的口徑往往是工作波長(zhǎng)的幾倍甚至幾十倍，而低頻段的波長(zhǎng)較大導(dǎo)致了透鏡厚度和重量都非常大，不能用于實(shí)際探測(cè)。

本文對(duì)圓環(huán)式透鏡、超材料透鏡和介質(zhì)平板透鏡進(jìn)行了研究，對(duì)阿基米德螺旋天線(xiàn)分別加載這三種透鏡，在探地雷達(dá)常用工作頻率200MHz-400MHz范圍內(nèi)進(jìn)行仿真，研究表明，加載透鏡后天線(xiàn)增益均得到提高。三種透鏡各具優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工方便，適合用于探地雷達(dá)天線(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高地下目標(biāo)的探測(cè)深度提供了新方法。

1??圓環(huán)式透鏡

1.1??圓環(huán)式透鏡結(jié)構(gòu)

圓環(huán)式透鏡是一種填充高相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)材料的凹槽型透鏡，其思想來(lái)源于光學(xué)小孔衍射現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)如圖1所示，中心為一圓臺(tái)，在基板正反兩面的對(duì)稱(chēng)位置開(kāi)挖寬度、深度相同的同心圓形槽，槽與槽之間具有相同的間距，在凹槽位置填充高相對(duì)介電常數(shù)材料，如圖2所示。為使透鏡小型化，基板材料可選用相對(duì)介電常數(shù)為10的無(wú)耗氧化鋁，填充材料可選用相對(duì)介電常數(shù)為850的陶瓷材料，由此可以得到最大場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效果。

1.2??圓環(huán)式透鏡性能

將圓環(huán)式透鏡放置于阿基米德螺旋天線(xiàn)的輻射端，分別仿真加透鏡與不加透鏡時(shí)系統(tǒng)的整體增益情況。

圖3為加透鏡與不加透鏡兩種情況下系統(tǒng)的回波損耗結(jié)果，可以看出，阿基米德螺旋天線(xiàn)的超寬帶特性在使用透鏡后依然得到了很好的保持，透鏡的加入幾乎不影響系統(tǒng)的回波損耗。

加透鏡與不加透鏡兩種情況下的增益對(duì)比如圖4所示，加透鏡后天線(xiàn)的增益在全頻段內(nèi)均得到了提高，特別是在300MHz附近的增益提升最為明顯，可提高4.87dB，說(shuō)明使用圓環(huán)式聚焦透鏡能顯著改善增益。

2??超材料透鏡

2.1??超材料透鏡的結(jié)構(gòu)

超材料透鏡是一種人工設(shè)計(jì)的等效介質(zhì)，由周期重復(fù)的超材料結(jié)構(gòu)單元印刷在介質(zhì)板上構(gòu)成，可以使其等效相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為負(fù)數(shù)。超材料結(jié)構(gòu)單元如圖5所示，基板材料可選取相對(duì)介電常數(shù)為4.3的FR-4板材，上面印刷粗細(xì)不同的金屬折線(xiàn)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在寬頻帶內(nèi)聚焦效果，從而提高系統(tǒng)增益。將超材料單元周期重復(fù)排列，如圖6中由42個(gè)超材料單元構(gòu)成超材料透鏡的整體結(jié)構(gòu)。

2.2??超材料透鏡的性能

將超材料透鏡放置于阿基米德螺旋天線(xiàn)的輻射端，分析加透鏡與不加透鏡時(shí)系統(tǒng)的性能。

圖7為加透鏡與不加透鏡兩種情況下系統(tǒng)的回波損耗結(jié)果，可以看出，阿基米德螺旋天線(xiàn)的超寬帶特性在使用透鏡后依然得到了很好的保持，透鏡的加入幾乎不影響系統(tǒng)的回波損耗，甚至?xí)纳苹夭〒p耗的結(jié)果，使得系統(tǒng)的匹配更佳。

在增益方面，如圖8所示，加透鏡后天線(xiàn)的增益在全頻段內(nèi)均得到了提高，在300MHz時(shí)增益提高了1.5dB，結(jié)果表明使用超材料透鏡能顯著改善增益。

超材料透鏡為平板形狀，易于加工和安裝，介質(zhì)印刷工藝簡(jiǎn)單成熟，超材料結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，可以用于探地雷達(dá)天線(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3??介質(zhì)平板透鏡

3.1??介質(zhì)平板透鏡的結(jié)構(gòu)

介質(zhì)平板透鏡由介質(zhì)基板上加載與之不同相對(duì)介電常數(shù)的介質(zhì)柱構(gòu)成。需要在高相對(duì)介電常數(shù)的介質(zhì)基板上開(kāi)鑿圓柱形介質(zhì)小筒，填充低相對(duì)介電常數(shù)的材料，如圖9所示。此處介質(zhì)基板選用相對(duì)介電常數(shù)為100的矩形介質(zhì)基板，圓柱形介質(zhì)小筒填充相對(duì)介電常數(shù)為30的材料。

3.2??介質(zhì)平板透鏡的性能

將介質(zhì)平板透鏡放置于阿基米德螺旋天線(xiàn)的輻射端，分析加透鏡與不加透鏡時(shí)系統(tǒng)的性能。

圖10為加透鏡與不加透鏡兩種情況下系統(tǒng)的S11結(jié)果，可以看出，加入透鏡后對(duì)較低頻段的回波損耗會(huì)有一定的影響，但在275MHz-400MHz仍舊保持在-10dB以下，能一定程度上保持阿基米德螺旋天線(xiàn)的超寬帶特性。

圖11顯示了加入介質(zhì)平板透鏡與不加透鏡的增益對(duì)比圖，可以看出，加透鏡后天線(xiàn)的增益在全頻段內(nèi)均得到了提高，在300MHz附近的增益提升尤為明顯，可達(dá)3.3dB。顯然，使用介質(zhì)平板透鏡能顯著改善增益。

介質(zhì)平板透鏡在較低頻段的回波損耗有所欠缺，加載透鏡時(shí)需考慮天線(xiàn)的工作頻率。

結(jié)論

三種透鏡各有特點(diǎn)，分別利用了特殊衍射結(jié)構(gòu)、超材料、介質(zhì)柱加載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)增益的提高。對(duì)于阿基米德螺旋天線(xiàn)，圓環(huán)式聚焦透鏡的加入幾乎不影響系統(tǒng)的回波損耗，在300MHz時(shí)的增益可提高4.87dB。超材料透鏡會(huì)改善系統(tǒng)的回波損耗，使得系統(tǒng)的匹配更佳，在300MHz時(shí)增益提高了1.5dB。介質(zhì)平板透鏡影響天線(xiàn)系統(tǒng)在較低頻段的回波損耗，在300MHz時(shí)的增益可提升3.3dB。三種透鏡均具有尺寸小、剖面低、效果明顯等特征，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，在選擇時(shí)需綜合考慮天線(xiàn)的回波損耗、增益、工作頻率與尺寸大小。

（創(chuàng)新說(shuō)明：為了解決探地雷達(dá)增益低、探深淺的問(wèn)題，在探地雷達(dá)的低頻天線(xiàn)（選用阿基米德螺旋天線(xiàn)進(jìn)行仿真，天線(xiàn)中心頻率為200MHz-400MHz）輻射端分別加載三種特殊材料的透鏡，用于提高天線(xiàn)增益。

國(guó)內(nèi)外最新發(fā)展動(dòng)態(tài)：從文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)外只有蘇格蘭ADROK公司的探地雷達(dá)天線(xiàn)端加載菲涅爾透鏡，用于產(chǎn)生準(zhǔn)直、相干、聚焦的電磁波，國(guó)內(nèi)僅有西安電子科技大學(xué)李慧敏等人設(shè)計(jì)了介質(zhì)透鏡加載的TEM喇叭天線(xiàn)和加載超材料透鏡的屏蔽蝶形天線(xiàn)。）

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作者簡(jiǎn)介：葛薇??（1991—??），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士，中國(guó)電波傳播研究所工程師，研究方向：低頻電磁感應(yīng)與探地雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)。