阅读说明：本技术 一种低剖面探地雷达天线 (Low-profile ground penetrating radar antenna ) 是由 张安学 崔嘉倩 师振盛 李建星 舒敏杰 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种低剖面探地雷达天线,包括馈电探针和辐射体,辐射体包括电偶极子和磁偶极子,U型金属板两个翼边端部均垂直连接有第一水平金属板,第一水平金属板的端部伸向U型金属板的对称轴,竖直金属板的端部垂直连接有第二水平金属板,两个第二水平金属板组成电偶极子；第二水平金属板的形状为轴对称的六边形或八边形,与竖直金属板连接；馈电探针设置于U型金属板内部,宽度不变部分和扇形短截线水平设置,宽度不变部分位于两竖直金属板的正下方,宽度不变部分的长度与两竖直金属板之间的距离相等,渐变微带线的部分水平延伸至距U型金属板其中一个翼边预设距离处并竖直向下弯折,其竖直部延伸至馈电端口。本发明天线带宽宽,时域特性良好。(The invention discloses a low-profile ground penetrating radar antenna, which comprises a feed probe and a radiator, wherein the radiator comprises an electric dipole and a magnetic dipole, the end parts of two wing edges of a U-shaped metal plate are vertically connected with a first horizontal metal plate, the end part of the first horizontal metal plate extends to the symmetry axis of the U-shaped metal plate, the end part of the vertical metal plate is vertically connected with a second horizontal metal plate, and the two second horizontal metal plates form the electric dipole; the second horizontal metal plate is in an axisymmetric hexagon or octagon shape and is connected with the vertical metal plate; the feeding probe is arranged in the U-shaped metal plate, the width-unchanged portion and the fan-shaped stub are horizontally arranged, the width-unchanged portion is located right below the two vertical metal plates, the length of the width-unchanged portion is equal to the distance between the two vertical metal plates, part of the horizontal portion of the gradient microstrip line extends to a position away from one wing edge of the U-shaped metal plate by a preset distance and is vertically bent downwards, and the vertical portion of the gradient microstrip line extends to the feeding port. The antenna has wide bandwidth and good time domain characteristics.)

一种低剖面探地雷达天线

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种探地雷达天线。

背景技术

探地雷达系统在地质检测、矿产勘探、生命探测等方面具有重要应用。探地雷达天线除了需要满足系统带宽、方向图的要求，关键是要无失真地辐射和接收脉冲信号。色散是造成天线辐射脉冲失真的重要因素，因此脉冲天线的设计目标是超宽带、低色散、高效率和高方向性。

探地雷达系统一般根据探测距离的要求确定工作的中心频率，考虑到损耗，系统频率一般低于5GHz。工作于低频的天线通常具有较大的尺寸，为了提高探测系统的灵活性，必需减小天线的尺寸及重量。然而天线的小型化意味着带宽的缩减和效率的降低，从而导致时域性能恶化。目前该领域缺少时域性能优良的探地雷达天线小型化设计。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种低剖面探地雷达天线，本发明在实现天线小型化的同时，拓展了天线的带宽，使天线具有良好的时域特性，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种低剖面探地雷达天线，包括馈电探针和辐射体，辐射体包括电偶极子和磁偶极子，磁偶极子为一对称结构，磁偶极子包括U型金属板、第一水平金属板和竖直金属板，U型金属板两个翼边的端部均垂直连接有第一水平金属板，第一水平金属板的端部伸向U型金属板的对称轴，第一水平金属板的端部垂直连接有竖直金属板；竖直金属板的端部垂直连接有第二水平金属板，两个第二水平金属板组成电偶极子；第二水平金属板的形状为轴对称的六边形或八边形，第二水平金属板的一边与竖直金属板连接，第二水平金属板该边的长度与竖直金属板的宽度相等，第一水平金属板与竖直金属板的宽度相等；馈电探针设置于U型金属板内部，馈电探针包括依次相连的扇形短截线、宽度不变部分和渐变微带线的部分；宽度不变部分和扇形短截线水平设置，宽度不变部分位于两竖直金属板的正下方，宽度不变部分的长度与两竖直金属板之间的距离相等，渐变微带线的部分水平延伸至距U型金属板其中一个翼边预设距离处并竖直向下弯折，U型金属板的底边上开设有馈电端口，渐变微带线的部分的竖直部延伸至馈电端口；扇形短截线、宽度不变部分以及渐变微带线的部分水平部与第一水平金属板之间的距离和渐变微带线的部分竖直部与U型金属板翼边之间的距离相等。

优选的，馈电探针和辐射体之间填充有用于稳定馈电探针和辐射体相对位置的介质。

优选的，所述介质填充部分为PCB板，PCB板采用双面覆铜板。

优选的，渐变微带线的部分两端的宽度w根据阻抗Z_c确定，阻抗Z_c如下：

其中，ε_e为有效介电常数，w为渐变微带线的部分的宽度，d为馈电探针与辐射部分金属板之间的距离。

优选的，第二水平金属板末端向下弯折形成有弯折部。

优选的，低剖面探地雷达天线的工作频率为100-300MHz，整体外形尺寸为0.07λ_l×0.4λ_l×0.1λ_l，其中λ_l为工作频率为100MHz所对应的波长。

本发明的有益效果如下：

本发明低剖面探地雷达天线第二水平金属板的形状为轴对称的六边形或八边形，相对于现有的矩形结构，第二水平金属板相当于对矩形的四个顶角进行切角得到的结构，该结构能够拓展天线的带宽。本发明磁偶极子包括U型金属板、第一水平金属板和竖直金属板，相较于现有的U形磁偶极子，本发明的磁偶极子能够在保证总长度满足要求的情况下，通过将U型金属板底边做的更长，翼边做的更短，在能够保证其谐振频率与电偶极子一致的情况下，能够大大降低本发明的磁偶极子的高度，使得本发明低剖面探地雷达天线在剖面高度方向的尺寸更小，从而实现天线的小型化。本发明馈电探针宽度线性渐变，末端为扇形短截线，能够用来调节天线输入阻抗，实现宽带匹配。本发明为采用探针耦合馈电的磁电偶极子天线，电偶极子与磁偶极子都属于电小天线，一般尺寸较小，但带宽较窄，且全向辐射。本发明中磁电偶极子通过电偶极子与磁偶极子的组合，一方面电抗能量相互补偿，能够降低低频截止频率，增加天线带宽；另一方面，可以通过方向图叠加实现单向辐射。综上，本发明在实现天线小型化的同时，拓展了天线的带宽，使天线具有良好的时域特性。

进一步的，馈电探针和辐射体之间填充有用于稳定馈电探针和辐射体相对位置的介质，因此提高了本发明低剖面探地雷达天线结构的稳定性。

进一步的，介质采用PCB板，PCB板双面覆铜板，可以降低总质量，进一步提高整体结构的稳定性。

进一步的，第二水平金属板末端向下弯折形成有弯折部，该结构可进一步的减小本发明低剖面探地雷达天线的长度。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2(a)是本发明在馈电探针、辐射体之间填充介质并采用PCB工艺加工，与金属铝板组装而成的天线结构图一；

图2(b)是本发明在馈电探针、辐射体之间填充介质并采用PCB工艺加工，与金属铝板组装而成的天线结构图二；

图2(c)是本发明实施例低剖面探地雷达天线的俯视图；

图2(d)是本发明实施例低剖面探地雷达天线的左视图；

图3为本发明天线S参数实测与仿真结果图；

图4(a)为本发明天线方向图仿真结果图(E面)；图4(b)为本发明天线方向图仿真结果图(H面)；

图5为本发明增益仿真结果图；

图6为本发明群时延仿真结果图；

图7为本发明时域信号测试结果图。

图中，1馈电探针，101渐变微带线部分，102宽度不变部分，103扇形短截线，2辐射体，201电偶极子，2011第二水平金属板，2012弯折部，202磁偶极子，2021U型金属板，20211馈电端口，2022第一水平金属板，2023竖直金属板，3耦合馈电部分。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、图2(a)和图2(b)所示，本发明低剖面探地雷达天线，包括馈电探针1和辐射体2，辐射体2包括电偶极子201和磁偶极子202，磁偶极子202为一对称结构，磁偶极子202包括U型金属板2021、第一水平金属板2022和竖直金属板2023，U型金属板2021两个翼边的端部均垂直连接有第一水平金属板2022，第一水平金属板2022的一端与U型金属板2021翼边端部连接，第一水平金属板2022的另一端伸向U型金属板2021的对称轴，两个第一水平金属板2022伸向U型金属板2021对称轴一端的端部均垂直连接有竖直金属板2023，竖直金属板2023的下端与第一水平金属板2022连接；两个竖直金属板2023的上端均垂直连接有第二水平金属板2011，两个第二水平金属板2011组成电偶极子201；第二水平金属板2011的形状为轴对称的六边形或八边形，第二水平金属板2011上与其对称轴垂直的一边与竖直金属板2023的上端连接，竖直金属板2023的宽度与第二水平金属板2011上与竖直金属板2023相连的边长度相同，第一水平金属板2022与竖直金属板2023的宽度相同；馈电探针1设置于U型金属板2021内部，馈电探针1包括依次相连的扇形短截线103、宽度不变部分102和渐变微带线的部分101；宽度不变部分102和扇形短截线103水平设置，宽度不变部分102位于两竖直金属板2023的正下方，宽度不变部分102的长度与两竖直金属板2023之间的距离相等，渐变微带线的部分101水平延伸至距U型金属板2021其中一个翼边的预设距离处并竖直向下弯折，U型金属板2021的底边上开设有馈电端口20211，渐变微带线的部分101的竖直部延伸至馈电端口20211；扇形短截线103与第一水平金属板2022之间的距离、宽度不变部分102与第一水平金属板2022之间的距离、渐变微带线的部分101水平部与第一水平金属板2022之间的距离以及渐变微带线的部分101竖直部与U型金属板2021翼边之间的距离相等。

作为本发明优选的实施方案，馈电探针1和辐射体2之间填充有用于稳定馈电探针1和辐射体2相对位置的介质，通过填充的介质能够保证天线结构的稳定性。

作为本发明优选的实施方案，本发明所述介质填充部分通过PCB板实现，PCB板采用双面覆铜板，顶层印刷辐射体，底层印制探针，本发明低剖面探地雷达天线采用金属铝板和PCB板组装而成，因此总体质量轻、结构稳定。

作为本发明优选的实施方案，第二水平金属板2011末端向下弯折形成有弯折部2012，通过这种弯折，在保证天线使用性能不受影响的情况下，进一步缩短本发明低剖面探地雷达天线的总长度。

作为本发明优选的实施方案，第二水平金属板2011末端垂直向下弯折形成弯折部2012。

作为本发明优选的实施方案，低剖面探地雷达天线的工作频率为100-300MHz，整体外形尺寸为0.07λ_l×0.4λ_l×0.1λ_l，其中λ_l为工作频率为100MHz所对应的波长。

作为本发明优选的实施方案，第一水平金属板2022的形状为采用矩形切除四角的方式得到的六边形或八边形。

本发明中，电偶极子与磁偶极子都属于电小天线，一般尺寸较小，但带宽较窄，且全向辐射。然而，磁电偶极子通过电偶极子与磁偶极子的组合，一方面电抗能量相互补偿，能够降低低频截止频率，增加天线带宽；另一方面，可以通过方向图叠加实现单向辐射。磁电偶极子的工作频带由电偶极子与磁偶极子共同决定，其带宽主要受到天线剖面高度和宽度的尺寸限制。在设计中为了降低天线剖面高度对磁偶极子进行折叠(将磁偶极子设置为U型金属板、第一水平金属板和竖直金属板这三个部分的形式，可将U型金属板底边做的更长，翼边做的更短，减小高度方向的尺寸)，但其总长度保持不变，从而保证了它的谐振频率与电偶极子一致。在电偶极子的馈电端切角能够调节天线的输入阻抗，在末端切角能够改变电流分布，调节谐振点的位置，通过调整这两种切角的尺寸，能够提高电偶极子的带宽(基于此，本发明的第一水平金属板根据需要可被切成六边形或者八边形)。在满足尺寸要求的情况下尽可能地增加磁偶极子U型金属板的宽度，能够降低Q值，提高磁偶极子的带宽。

天线剖面高度降低使得输入电阻增大，难以匹配，根据上述辐射结构设计了宽度渐变的倒L型探针在磁电偶极子连接处进行耦合馈电，此时竖直金属板2023的宽度和间距主要影响耦合馈电部分3处的输入阻抗。倒L型探针能够同时激励电偶极子和磁偶极子，是一种巴伦馈电结构。其中探针渐变的部分101与辐射部分金属板(即U型金属板和第一水平金属板)构成微带线结构，实现信号传输及宽带的阻抗变换。通过调整渐变微带线末端(连接宽度不变部分102一端)的线宽可以实现电阻的匹配。宽度不变部分102通过电场耦合实现馈电，此时磁偶极子相当于末端短路的平行板波导，等效为电感，四分之一波长微带开路扇形短截线103等效为电容，调整扇形短截线103的角度和半径可以使电抗相互抵消，从而实现阻抗匹配。由于本发明低剖面探地雷达天线的剖面高度可以做到尽可能小，因此能够适应车载环境，拓展使用范围。

渐变微带线的部分101实现了从馈电端口50Ω到耦合馈电部分的输入阻抗(约150Ω)之间的阻抗渐变，其尺寸可以根据微带线阻抗计算公式确定：

式中：ε_e为有效介电常数，w为渐变微带线的部分101的宽度，d为探针与辐射部分金属板之间的距离。

实施例

为了保证整体结构的稳定性，探针及靠近探针的辐射部分采用双面印刷的F4BM-2(介电常数2.2)介质板制作来保证探针与金属板之间的距离恒为3mm，其余部分用铝板制作，天线结构如图1以及图2(a)～图2(d)所示，参量取值列举在表1中。

表1

其中，W1为天线整体宽度，W2为宽度不变部分102的宽度，W3为渐变微带线的部分101位于馈电端口20211处的宽度，W4为第二水平金属板2011一条边的长度，该边为与第二水平金属板2011内侧端部的边平行的边，L1为天线总体长度，L2为U型金属板两翼边之间的距离，L3为两个第二水平金属板2011对角线之间的距离，该对角线与第二水平金属板2011内侧端部的边平行，H1为天线剖面高度，H2为U型金属板翼边的高度，H3为第二水平金属板2011向下弯折的长度(也即弯折部2012对应梯形的高)，R为扇形短截线的半径，Ang为扇形短截线的中心角，Fw为第一水平金属板2022的宽度(也为竖直金属板2023的宽度和第二水平金属板2011内侧端部的边的长度)，Fd为两个第二水平金属板2011内侧端部之间的距离(也为两竖直金属板2023之间的间距)。

本实施例低剖面探地雷达天线的实测与仿真结果表明，天线在工作频带内反射系数低于-6dB(见图3)。天线的仿真方向图如图4(a)和图4(b)所示，天线沿+z方向辐射。电偶极子与磁偶极子的方向图互补使得天线在口径面尺寸与剖面高度均较小的情况下，依然可以实现单向辐射，并且在频带内具有稳定的增益(见图5)。在天线的主射方向放置探针，仿真得到探针信号的相位，通过

计算得到群时延如图6所示，在50-300MHz频带内群时延保持稳定，标准差为1.3ns，证明天线具有低色散的特性，适合用于脉冲辐射。将两个天线距离7m相对放置，利用矢量网络分析仪测量得到S₂₁即系统的传输函数，当输入信号采用50-300MHz高斯脉冲时，将入射信号的频谱与传输函数相乘，再通过反傅里叶变换得到输出信号的时域波形如图7所示，通过

计算得到波形保真度为93.64％。

本实施例的低剖面探地雷达天线是一种工作于100-300MHz的脉冲天线，它的整体尺寸为0.07λ_l×0.4λ_l×0.1λ_l(λ_l指最低工作频率100MHz所对应的波长)。天线在宽度和剖面高度上尺寸较小，低剖面使得天线能够安装在车辆底部对地下情况进行探测。天线可以采用金属铝板和PCB板组装而成，质量轻、结构稳定。根据天线工作的中心频率推测天线的探测距离在7m以上。