用于探地雷达的超宽带介质埋藏天线设计

(西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都 610031)

超宽带(UWB)探地雷达(GPR)技术越来越多地用于无损检测和穿墙成像以及检查地下结构和埋藏物体。在探地雷达中，天线模块对系统性能具有一定的影响。探地雷达天线的设计需要在非常宽的频带内实现良好的阻抗匹配，设计难度较高。

近年来，已经有许多探地雷达天线面世，如常用的电阻加载偶极子、蝴蝶结天线、螺旋天线和TEM喇叭天线等[1]。电阻加载偶极子[2]结构简单，但由于增益较低，应用范围受到极大限制。现有的商业GPR系统主要使用的是蝴蝶结天线和TEM喇叭天线，但也面临一些问题。蝴蝶结天线[3]的时域信号容易出现失真，而TEM喇叭天线[4]由于内部反射的影响使得宽频带内的阻抗匹配难度增大。因此，易于集成的超宽带平面单极天线的出现，给探地雷达天线设计带来了新的思路。

对超宽带平面单极天线的改进一般从以下几个方向入手:其一，通过改变辐射贴片形状以及地板形状来实现小型化，但这种方法效果并不明显;其二，通过在单极天线下方放置接地板来提高增益，并且能在一定程度上改善辐射方向图。然而，接地板的引入会极大地增加天线尺寸，不适用于小型装置。

受到平面八木天线设计[5]思路的启发，本文采用介质埋藏贴片天线的设计方式，将平行的多层微带贴片沿着法线方向立体叠加，通过在不同贴片中间采用介质板填充(即将各微带贴片放置在介质基片内部)，因此称为介质埋藏天线。为实现小型化，设计过程中放弃了使用接地板或反射板，主要通过改变引向振子的形状和位置来优化天线特性。

1 天线设计与结构

该天线采用对称共面波导馈电方式，为了保证设计的天线的有效性和实用性，在计算中考虑介质基板的厚度和有限地共面波导的结构，图1为共面波导馈电结构示意图，该天线的馈电主要由式(1)～式(4)[6]计算得出。

图1 共面波导结构图Fig.1 Structure diagram of coplanar waveguide

式中:c为共面波导馈电线与共面波导边缘之间的间隙;W为介质板的宽度;W1为共面波导馈线宽度;h为共面波导与天线贴片基板厚度;εeff为有效介电常数;εr为相对介电常数;Z0为共面波导的特征阻抗值，K(k1)、K(k2)、K′(k1)和K′(k2)分别为第一类完全椭圆积分函数和其补函数，k1和k2是变量。根据以上公式可计算出对于特征阻抗为50 Ω的共面波导，当其馈线宽度W1=2.8 mm时，馈电线与共面波导边缘之间的间隙c=0.6 mm。天线结构设计如图2所示，其中黄色部分为相对介电常数为4.4的介质基板FR-4，灰色部分为金属。

图2 天线结构示意图Fig.2 Schematic diagram of antenna structure

在图3中给出了天线的主要元件，包含两层介质基板和三层金属贴片，其中两层介质板大小均为160 mm×185 mm，天线整体尺寸(长×宽×高)为160 mm×185 mm×4.5 mm。天线最上层采用椭圆形的金属辐射贴片，使用共面波导方式馈电，两者均覆盖在厚度为3 mm的介质板上方。介质板下方埋藏半径为65 mm的圆形金属贴片作为引向振子，设计过程中发现在圆形辐射贴片上开扇形槽能够明显改善天线的方向性，同时能够一定程度上改善反射系数。埋藏辐射贴片下方再添加一层厚度为1.5 mm的介质板，介质板底部覆盖半径为45 mm的圆形金属贴片，同样起到引向振子的作用，能够明显增加增益。其中表1为该天线的具体参数。

图3 天线主要元件示意图Fig.3 Schematic diagram of main antenna elements

表1 天线结构参数Tab.1 Antenna structure parameters mm

2 天线分析与仿真

经使用Ansoft公司的三维电磁仿真软件HFSS仿真发现，埋藏贴片开扇形槽对天线的回波损耗S11具有改善作用，是否开扇形槽的仿真结果对比如图4所示。当埋藏贴片未开扇形槽时，在0.5～3 GHz频段内，存在S11＞-10 dB部分;当引入扇形槽后，整个频段内天线回波损耗均位于-10 dB以下。

对该共面波导馈电线与共面波导边缘之间的间隙c进行仿真，得到间隙c变化时天线的回波损耗变化曲线如图5所示。

图4 埋藏贴片是否开扇形槽对天线性能的影响Fig.4 Influence of the buried patch on antenna performance

由图5可知，当其他参数保持不变，间隙c＞0.2 mm时，S11随着c的增大而减小，回波损耗变化趋势一致，最终选择c=0.4 mm。

图5 共面波导馈电线与地面之间的间隙c与S11关系图Fig.5 Relationship between the gap between the CPW and the ground and S11

天线在0.5～3 GHz内各频点的最大增益随频率变化曲线[7]如图6所示。由图6可知，天线在整个工作频段内最小增益大于3.655 dBi，在2.75 GHz时达到增益最大值为6.255 dBi。

图7给出了天线在最小增益频点处和最大增益频点处的xoz面和yoz面的仿真辐射方向图。

图6 天线增益变化曲线图Fig.6 Antenna gain pattern with different frequencies

图7 天线辐射方向图Fig.7 Radiation patterns of the antenna

将本研究设计的天线与参考文献 [8-10]天线的参数进行对比，发现天线与同频段天线相比尺寸有所减小，且增益明显增大，能够实现传统探地雷达天线在0.5～3 GHz频段保持高增益的性能。

3 结论

本文所述的用于探地雷达的超宽带介质埋藏天线，采用介质埋藏贴片的设计方式，将平行的多层微带贴片沿着法线方向立体叠加，通过改变埋藏贴片开扇形槽的方式改善天线性能。从仿真结果来看，该天线具有比同类型天线尺寸小、增益高等优点。本文同时分析了埋藏贴片是否开槽和共面波导馈电线与地面之间的间隙c对天线性能的影响，并得到了最优参数。本文所设计的超宽带介质埋藏天线能够工作于0.69～3 GHz，辐射性能稳定，可应用于探地雷达系统。