探地脉冲雷达的超宽带TEM喇叭天线设计.pdf

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1、电子工程2014年第3期探地脉冲雷达的超宽带TEM喇天线设计汤国平译，李树人校摘要：介绍了适用于手持和车载探地脉冲雷达系统的超宽带喇叭天线。对TEM喇叭结构的传统型、介质填充型、Vivaldi型、多传感器自适应阵列型结构进行了设计、仿真和测量。文中提到的脊喇叭馈电的Vivaldi型TEM喇叭和抛物面反射天线样机，具有超宽带脉冲辐射特性，多频段GPR工作频率范围为300MHz一20GHz，可提供高分辨率的图像。测试结果验证了天线的增益和输入反射性能。关键词：探地雷达；脉冲辐射；抛物面反射器；脊型喇1)~,；TEM喇叭；超宽带天线还适当地采用了介质部分填充的传输天线

2、方法l引言(PLTLM)和分析调整方法(ARM)来分别设计TEM喇叭馈源和反射天线。最后，给出了设计模超宽带(UWB)脉冲技术在高速射频无线通型的仿真和测试结臬。讯、高功率射频干扰以及高分辨率脉冲雷达系统中的应用日益广泛。由于脉冲信号辐射的时间很2TEM喇叭天线分析的PLTLM过程短，脉冲雷达系统的工作频带很宽，从100MHz到30GHz。UWB工作具有突出的优势，如提高了探由于TEM喇叭天线是行波天线的一种，它的测、距离和目标分辨率性能¨J。探地雷达(GPR)结构可以认为是具有几何结构参数特征的微带传是一种UWB技术，用于探测和识别埋在地下的金输线单元的组合，

3、分析时采用阶梯模型。三维天属和非金属物体。GPR信号的中心频率和带宽是线结构首先被分为Ⅳ个基本单元，波长内的每个系统性能的关键系数。探测小物体需要更高的频单元都是均匀且足够小的。这样每个单元就减化率，探测深埋地下的物体则低频更好些。因此，发为类似的、具有相应特性阻抗定义的一维传输线。射短脉冲信号的UWBGPR系统在低频和高频都文献[6]明确了每个线单元的输入阻抗和特性占优势j。为拥有最好的UWB性能，发射机和接阻抗。收机(T／R)天线必须在工作带宽内具有平坦的高定向增益、窄波束、低副瓣和尾瓣；为获得最大的=n一厶。+jzT：tanflfl，’_l，2，’⋯’Ⅳ(

4、1)动态范围、最好的集中照射区域、最小的T／R耦合，应使振铃减少和脉冲辐射均匀。另外，在大多_l38g，2)数新开发系统中，都考虑了减少EM耦合和设计金属探测器自适应GPR天线。其中，是传播常数，z是传输线单元的长度，W是本文概述了UWBTEM喇叭天线的种类。这传输线单元的宽度，d是传输线单元的高度，￡是些天线是多传感器自适应、步进频率和脉冲模式总臂长，且=厩rO~r。z墨¨是等效天线输出UWBGPR系统的最适合设计模型l4J。如Turk介绍过介质部分填充的TEM(PDTEM)喇叭、Viv-阻抗。第n个单元线的输入和局部反射系数分别为aldi型TEM喇hA(PD

5、VA)和阵列的组合，这是因为=一鲁二+，n“=一1’2’一，Ⅳ’(3)有效的UWB脉冲辐射器工作于150MHz～10GHz。。本文提出了以Vivaldi型TEM喇叭为厂()=e坤n‘～，=∈l，0≤≤L(4)馈源的标准1～18GHz脊型喇叭和抛物面反射器，根据公式(4)，天线上的离散电压和电流分别以获得由200MHz到20GHz的超宽带天线性能。由下式确定：$UltraWideBadTEMHomAntennaDesignsforGoundPenetratingImpulseRadar．2012IEEE汤国平译，等：探地脉冲雷达的超宽带TEM喇叭天线设计35()=

6、+e[1+F()]in()=+e[1一F()]，z∈l，3介质填充TEM喇叭天线的设计n=I，2，⋯，Ⅳ(5)其中，+和ro+可以由初始值(如天线馈源和源阻TEM喇叭天线结构由一对三角形或者圆形片抗的激励电压)反复迭代算出。状导体形成的形振子所组成。它由L，d，和0采用积分方程法计算辐射场，这种方法比数等参数表征，分别对应于天线臂长、馈电间隙、导值方法更快。体面夹角和仰角。如图1所示。面电阻(a)TEM喇叭天线(三维视图)(b)PDTEM喇叭天线(侧视图)表而电阻(C)Vivaldi型TEM~'JnJt．天线(测视图)图1TEM喇叭天线结构表1UWBGPR天线设

7、计天线臂长往往限制了辐射脉冲的最低截止频图片序号型号物理参数率。因此，传统TEM喇叭天线的增益性能类似于BT·10d=90。，0=180。，d=0．25era，L=5cm一个带通滤波器。利用介质填充和介质部分填充。。'。‘crn，mcm'8rTE。技术可以使带宽扩大到原先的两倍J。，表1和图1给出了TEM喇叭、PDTEM喇叭、。。。‘，mcⅢ’8TmPDTEMPDVA喇叭和PDTEM喇叭天线的设计参数。图2，。。‘4'VA-IO一’，则给出了蝶形(BT)、TEM喇叭、PDTEM、PDVA和10cm8r1，=。充空气Vivaldi天线(VA)的增益和电压驻波比i贝

8、4量结果。1(c)——0