用于探地雷达的时域超宽带TEM喇叭天线的制作方法

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种用于探地雷达的时域超宽带tem喇叭天线。

背景技术：

探地雷达(gpr)是一种快速、高效、无损探测的物理方法。探地雷达利用一个发射天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下目标介质界面的反射波，然后对获取的数据进行分析处理，进而得到地下目标的分布状态。其中雷达天线是探地雷达系统中最为关键的部件，天线的性能在很大程度上影响探地雷达的性能及目标探测的深度和探测精度。当前探地雷达天线主要以蝶形天线为主，这种天线带宽窄、中心频率低、发射能量有限、效率低，难于满足更大距离范围内精细探测需求，且带宽有限，信号分辨能力较差，具有相对较低的信噪比，同时尺寸较大，这不利于雷达系统的工程化应用。

为了协调好探测深度和分辨率，需要开发新型的探地雷达天线。tem喇叭天线具有高增益、超宽带、无色散、馈电结构简单、脉冲失真小等优点，在探地雷达领域中得到了广泛的研究。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于探地雷达的时域超宽带tem喇叭天线，天线整体尺寸较小，增益高，波形保真性好，带宽达到0.9—12.6ghz，具有良好的宽带特性，具有超宽带特点，满足系统对探测距离和精度的要求。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种用于探地雷达的时域超宽带tem喇叭天线，包括：

辐射臂，其包括上辐射臂及与该上辐射臂对称设置的下辐射臂；所述上、下辐射臂的轮廓呈抛物线型或指数函数曲线型；

多个延展面，分别设于所述上辐射臂和下辐射臂的一端；

馈电巴伦，设于所述上辐射臂和下辐射臂的另一端，用于同轴馈电。

在一些实施例中，所述指数函数为指数渐近函数，满足下式：

式中，a、b、c均为常数；x，y分别表示横坐标、纵坐标。

在一些实施例中，所述馈电巴伦包括：

同轴线结构；

第一辐射片，与所述同轴线结构连接；所述第一辐射片包括第一上辐射片及第一下辐射片；以及

第二辐射片，包括第二上辐射片及第二下辐射片；

其中，所述第一上辐射片末端与所述第二上辐射片连接，第一下辐射片末端与所述第二下辐射片连接；第二上辐射片末端与所述上辐射臂连接，第二下辐射片末端与所述下辐射臂连接。

在一些实施例中，第一上辐射片与第一下辐射片平行，所述第一上辐射片与同轴线內端馈电处连接，用于辐射电磁波，所述第一下辐射片与同轴线外端连接，用于接地，实现从同轴线到天线的不平衡到平衡的转换。

在一些实施例中，所述延展面为三角形，用于延长辐射臂的电流分布路径。

在一些实施例中，还包括：屏蔽腔，其为三面开口的中空梯形台结构；其中，所述屏蔽腔包括底面及分别与该底面两端连接的两侧面；所述馈电巴伦容纳于所述屏蔽腔内，所述辐射臂至少部分容纳于所述屏蔽腔内。

在一些实施例中，所述辐射臂与延展面共同构成天线的辐射体，该辐射体和屏蔽腔之间采用多孔泡沫填充。

在一些实施例中，还包括：多个加载电阻，分别设于所述延展面的末端，连接所述天线的延展面与所述屏蔽腔的侧面。

在一些实施例中，所述多个延展面包括第一延展面、第二延展面、第三延展面以及第四延展面；所述第一延展面、第二延展面并行设置在天线上辐射臂的末端处，第三延展面、第四延展面并行设置在天线下辐射臂末端处，所述上、下辐射臂结构相同，所述四个延展面的结构相同。

在一些实施例中，所述多个加载电阻包括第一加载电阻、第二加载电阻、第三加载电阻、以及第四加载电阻；所述第一加载电阻和第二加载电阻并行设置在天线的第一延展面、第二延展面末端处，第一加载电阻连接第一延展面与屏蔽腔的侧面，第二加载电阻连接第二延展面与屏蔽腔的侧面；第三加载电阻和第四加载电阻并行设置在天线的第三延展面、第四延展面处，第三加载电阻连接第三延展面与屏蔽腔的侧面，第四加载电阻连接第四延展面与屏蔽腔的侧面；所述四个加载电阻的结构相同。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明用于探地雷达的时域超宽带tem喇叭天线至少具有以下有益效果其中之一：

(1)采用抛物线或指数函数曲线型天线辐射臂，天线整体尺寸较小，增益高，波形保真性好，具有良好的宽带特性，具有超宽带特点，满足系统对探测距离和精度的要求。

(2)在天线末端加载三角形延展面，可延长辐射片的电流分布路径，同时通过对延展面的末端进行锐化，从而更好地集中天线臂末端残余电流。

(3)采用馈电巴伦结构，第一上辐射片及第一下辐射片平行，第一下辐射片与同轴线外端连接，用于接地，以实现从同轴线到天线的不平衡到平衡的转换，第一上辐射片与同轴线內端馈电处连接，用来辐射电磁波。

(4)由天线臂和延展面构成辐射体，通过加载电阻和屏蔽腔连接起来，天线和屏蔽腔间用多孔泡沫进行填充，方便固定。

附图说明

图1为依据本发明实施例天线结构示意图。

图2为依据本发明实施例天线辐射臂结构示意图。

图3(a)为依据本发明实施例天线辐射臂俯视图。

图3(b)为依据本发明实施例天线辐射臂侧视图。

图4为依据本发明实施例天线馈电巴伦结构示意图。

图5为依据本发明实施例天线仿真与实测结果示意图。

图6为依据本发明实施例天线实测波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于探地雷达的时域超宽带tem喇叭天线。图1为依据本发明实施例天线结构示意图。如图1所示，本实施例用于探地雷达的时域超宽带tem喇叭天线，包括：

辐射臂，包括上辐射臂2；下辐射臂3，与所述上辐射臂对称设置；所述上、下辐射臂的轮廓呈抛物线型或指数函数曲线型；

多个延展面4a、4b、5a、5b，分别设于所述辐射臂的一端；

馈电巴伦1，设于所述上辐射臂和下辐射臂的另一端，用于同轴馈电。其中，辐射臂与延展面共同构成天线的辐射体；辐射体和屏蔽腔间采用多孔泡沫进行填充，方便固定。

所述延展面优选为三角形，用于延长辐射臂的电流分布路径，同时通过对延展面的末端进行锐化，从而更好地集中天线臂末端残余电流。请继续参照图1，所述天线还可进一步包括：

屏蔽腔8，其为三面开口的中空梯形台结构；以及

多个加载电阻6a、6b、7a、7b，分别设于所述延展面的末端，连接天线的延展面与所述屏蔽腔；

其中，所述屏蔽腔8包括底面及分别与底面两端连接的两侧面；所述馈电巴伦和天线主体容纳于所述屏蔽腔内。

采用屏蔽腔结构，可以屏蔽外界电磁场对天线的干扰，改善天线的性能。

优选的，所述延展面可为四个，分别为第一延展面4a、第二延展面4b、第三延展面5a以及第四延展面5b；其中第一延展面、第二延展面并行设置在天线上辐射臂2末端处，第三延展面、第四延展面并行设置在天线下辐射臂3末端处。所述上、下辐射臂结构相同；所述四个延展面的结构相同。

所述加载电阻也可为四个，分别为第一加载电阻6a、第二加载电阻6b、第三加载电阻7a、以及第四加载电阻7b；其中，第一加载电阻和第二加载电阻并行设置在天线上辐射臂2端部延展面4a、4b处，第一加载电阻连接第一延展面与屏蔽腔的侧面端部，第二加载电阻连接第二延展面与屏蔽腔的侧面端部；第三加载电阻和第四加载电阻并行设置在天线下辐射臂3端部延展面5a、5b处，第三加载电阻连接第三延展面与屏蔽腔的侧面端部，第四加载电阻连接第四延展面与屏蔽腔的侧面端部；所述四个加载电阻的结构均相同。

以下结合图2-3详细介绍本发明实施例的天线臂。其中，图2为依据本发明实施例天线臂结构示意图。图3(a)为依据本发明实施例天线臂俯视图。图3(b)为依据本发明实施例天线臂侧视图。如图2-3所示，优选的，天线的宽度尺寸为w1＝150mm；天线的长度尺寸为l2＝102mm；天线的高度尺寸为d1＝150mm；馈电处上天线臂和下天线臂间的高度尺寸为d2＝2.6mm；馈电巴伦下辐射片的起始最大宽度w2＝30mm；馈电巴伦上辐射片的起始最小宽度w3＝5mm；馈电巴伦终端最大宽度w4＝24mm；馈电巴伦中端宽度w5＝12mm；馈电巴伦中端高度d5＝2.6mm；馈电巴伦终端高度d4＝3.4mm；辐射臂整体呈指数函数曲线的形式逐渐展开，其前部变化平缓，后部变化较大，以减小由于阻抗渐变引起的反射。

优选的，所述指数函数为指数渐近函数，满足如下式(1)：

式中，a、b、c均为常数；t是自变量，x，y是因变量，x，y表示横坐标和纵坐标；具体的，可设置a＝46，b＝200，c＝-0.32。

图4为依据本发明实施例馈电巴伦结构示意图。如图4所示，天线馈电巴伦包括：

同轴线结构；

第一辐射片，与所述同轴线结构连接；所述第一辐射片包括平行设置的第一上辐射片及第一下辐射片；

第二辐射片，包括张开设置的第二上辐射片及第二下辐射片；

其中，所述第一上辐射片末端与所述第二上辐射片连接，第一下辐射片末端与所述第二下辐射片连接；第二上辐射片与上辐射臂连接，第二下辐射片与下辐射臂连接。

所述第一上辐射片及第一下辐射片尽量平行，类似于微带渐变，所述第一下辐射片与同轴线外端连接，用于接地，以实现从同轴线到天线的不平衡到平衡的转换，所述第一上辐射片与同轴线內端馈电处连接，用来辐射电磁波。

图5为依据本发明实施例超宽带tem喇叭天线的电压驻波比实测与仿真曲线图。如图5所示，在频带为0.9～12.6ghz时，电压驻波比<2。其中，电压驻波比换算成回波损耗，即驻波系数为2时，回波损耗约为-9.6db。按照一般高速公路探测探地雷达天线应用s11<-10，可以看出天线在0.9～12.6ghz频带范围内都能非常好地满足要求。

图6为依据本发明实施例天线实测波形图，具体的，是采用信号发生器、geozondas2ghz脉冲源、tektronix示波器对tem喇叭天线进行时域波形测量得到的波形结果图。如图6所示，接收回波信号具有较小的振铃，波形保真性好，能够满足用于高速公路探测探地雷达的系统要求。

综上，本发明一种用于探地雷达的时域超宽带tem喇叭天线，整体尺寸较小，增益高，波形保真性好，带宽达到0.9—12.6ghz，具有良好的宽带特性，具有超宽带特点，满足系统对探测距离和精度的要求。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于探地雷达的时域超宽带tem喇叭天线有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换：

所述延展面除了三角形之外，还可以为矩形、半圆形等其它形状，同样可以实现本发明。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。