车载超宽带电阻加载单极子天线系统研究∗

李雪萍,王 立,甘利萍,闫 静

(1.河南师范大学电子与电气工程学院,河南新乡453007;

2.河南省高等学校电磁波特征信息探测重点学科开放实验室,河南新乡453007)

0 引言

超宽带雷达探测技术由于具有高分辨率、强穿透性、低截获率、无损探测以及结果直观明了等优点而被广泛研究[1]。近年来,月球与火星等星球次表层结构的探测越来越受到世界各国的关注。在所有探测方式中,表层穿透雷达被认为是最有前景的工具之一,已作为一种航天飞行器传感器,在月球与深空探测中得到了广泛的应用[2]。

天线作为表层穿透雷达系统中辐射、接收能量的关键部件,其性能要求包括频带宽、体积小、加工成本低等多个方面。目前常用的超宽带天线主要有电阻加载的偶极子天线及其变形[3-6]、Vivaldi天线[7]、TEM喇叭天线[8-9]以及小型TSA天线[10-11]。对于表层穿透雷达和穿墙成像雷达等脉冲探测雷达来说,为了良好地与介质耦合,获得更好的探测效果,通常选用介质耦合天线。偶极子天线作为一种介质耦合天线,因其与介质良好的耦合特性而被广泛使用[12-13]。在月球与深空探测领域,表层穿透雷达安装在探测车上,用于探测星球次表面的地质结构。传统的加载偶极子天线长度较长,由于平衡馈电的结构方式,难以在探测车上安装。为了减小天线的尺寸,减轻天线的重量以满足安装位置的要求,本文提出了一种深空探测中用于车载的超宽带电阻加载单极子天线,对整个天线系统的电压驻波比、辐射方向图以及时域辐射特性进行了研究,分析了介质的电特性参数(介电常数和损耗正切)对雷达系统探测能力的影响,根据仿真设计结果制作了一套收发天线样机,并安装在探测车上,在冰川进行了外场探测试验。该天线具有较低的电压驻波比、良好的辐射特性以及较小的振铃,并且质量轻、结构简单、易于车载安装,对于表层穿透雷达在月球与深空探测领域的推广应用有着重要的意义。

1 天线结构

文献[9]提出了一种使天线的电流呈行波分布的阻抗加载方法,通过此种加载使得天线的反射电流减小,可以抑制辐射脉冲拖尾,展宽天线工作频带。实际工程应用中,常采用不均匀电阻加载的形式,天线从馈电端开始,加载阻值逐渐增大,辐射场的主要波形在天线前部已经产生,因此损失较小。本文通过电阻加载来展宽天线的带宽特性,选取单极子天线上加载电阻阻值按Wu-king方法来确定,即

式中,z为天线上某点距天线馈电点的距离,L为单极子天线的长度,ψ0为一个无纲常量。这里,选取ψ0=0.35,此时输入阻抗大约为200Ω。如图1所示,天线分为8段,每相邻两段之间的宽度d i=2 mm(i从馈电端开始标号从1到7),并通过加载电阻相连接。考虑到计算结果R i和实际的电阻分布表,在选择电阻大小r i时根据实际情况进行适当调整,如表1所示。

图1 分段电阻加载天线示意图

表1 天线电阻加载剖面说明

探测车如图2所示,其尺寸为1.2 m×0.8 m× 0.87 m。天线设计过程中充分考虑了天线的质量和安装位置的限制,为保证探测车行走的安全性,天线安装在探测车尾部,向上倾斜16°,且天线距离地面高度为1 m。天线的中心频率为60 MHz,工作带宽为40 MHz,长度为1.25 m,半径为6 mm。

图2 天线在探测车上的安装示意图

2 天线仿真测试结果及分析

借助基于时域有限积分(FITD)方法的三维仿真软件CST,对天线进行了建模和仿真。根据仿真设计结果制作了一套收发天线样机,并将样机安装在探测车上,在电波暗室中对天线的驻波特性和辐射方向图进行了测试。

图3给出了车载电阻加载单极子天线系统电压驻波比的仿真结果和测量结果。从图中可以看到,在40～80 MHz频率范围内整个天线系统具有较好的电压驻波比(≤3),并且仿真结果和测量结果吻合良好。

图3 车载电阻加载单极子天线系统的电压驻波比

图4 归一化车载电阻加载单极子天线系统的方向图

图4给出了归一化的车载电阻加载单极子天线系统的E面和H面辐射方向图,可以看到主要辐射方向和地面之间存在有一定的夹角,这是由天线和探测车之间的角度所引起;主要辐射方向仍指向地面,并具有光滑的主瓣和良好的方向性,可以满足次表面地质结构探测的需要;仿真结果和测试结果吻合良好,并且车载电阻加载单极子和理想单极子的辐射方向图一致。

图5 车载雷达系统接收到的归一化直耦波波形

图5给出了接收天线接收到的归一化直耦波的仿真结果,为了更清晰地比较激励脉冲和接收天线接收到的直耦波,这里将直耦波沿着x轴进行了平移。从图中可知,该车载天线系统具有比较干净的直耦波和较小的振荡系数,能够满足车载雷达系统的使用需求。

3 整个系统仿真及试验分析

为了将电磁波能量尽可能多地耦合到媒质中去,天线系统一般工作在近地表面,因此天线系统的特性也容易受到地面的影响。当土壤类型或者地形地貌不同时,天线系统接收到的信号也将发生变化。由文献[14-16]可知,月球浅表层的相对介电常数从2～8变化,损耗正切范围为0.005～0.03。根据工程任务和科学探测目标,车载表层穿透雷达要求对着陆点100 m左右深的月壤结构进行探测,而安装于探测车上的表层穿透雷达系统可检测到的最小信号约为42μV,为了验证探测系统接收回波的可靠性,借助基于时域有限积分(FITD)方法的三维仿真软件CST,对整个天线系统进行了建模和仿真计算,其模型如图6所示。该电磁散射的物理模型由4层介质组成,分别为自由空间层、土壤层(ε,tanδ,R1=30 m)、岩石层(ε2, tanδ2,R2=50 m)和深层岩石层(ε3=8,tanδ3=0.03,R3=40 m)。表2给出了介质电特性参数(介电常数和损耗正切)不同情况下天线接收到的散射回波。

图6 车载表层穿透雷达系统的三维模型示意图

表2 介质电特性参数不同情况下天线接收到的回波

从表中可知,在任务要求的探测范围内回波信号的幅值均大于雷达系统可探测到的最小值,也就是说雷达系统可以探测到回波信号,这证明了此车载雷达系统的有效性,可以承担探测任务。

为了进一步验证整个车载表层穿透雷达天线系统的辐射与接收特性,将制作的天线系统安装在探测车上,用发射机对其中一个天线馈入周期信号,另一个天线用于接收信号。选取地球上接近月球电磁特性的位置(甘肃省肃北蒙古族自治县老虎沟12号冰川)进行地面验证试验,随着探测车不断向前移动,包含地面分层信息的连续回波信号不断被接收机接收,经过雷达系统控制与处理单元处理后就能得到相应的冰川内部剖面图(B-scan),如图7所示。从图中可以清晰地观测到冰川内部的分层结构,且探测结果与实际地形地质结构相吻合。这表明该天线具有良好的脉冲辐射特性,可以安装到超宽带表层穿透雷达上以便应用于月球地质地貌的探测。

图7 实测冰川内部剖面图

4 结束语

本文介绍了一种月球探测中用于车载的超宽带电阻加载单极子天线的工程化设计方法,采用数值计算软件CST对天线特性进行了研究,分析了介质的电特性参数对整个雷达系统探测能力的影响,并实际完成了天线系统及雷达样机的制作安装,最后在与实际工程应用环境电磁特性接近的冰川进行了试验测试,获得了清晰的冰川内部剖面图。仿真和实际测量结果表明,所设计的天线具有良好的时域特性,可以满足实际工程应用的需要。

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