用于埋地管道探测的Vivaldi超宽带天线设计

刘永滨，张季娜，杜 华，徐 哲，王 冠

(1.中石油昆仑燃气有限公司 燃气技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150010；2.中国石油集团工程材料研究院有限公司，陕西 西安 710077)

1 概述

市政地下管线是城市赖以生存和发展的基础设施。近年来，随着城市的快速发展，存在城镇燃气管道设计图纸破损、标志物遗失、标志物不明等现象，导致部分管道连接关系不明、位置失踪，给管道维护带来极大不便，给周围居民带来严重的安全隐患，查明地下管道位置具有重大的现实意义和经济价值。

近年来，高密度电阻率法、地震映像法、瞬变电磁法等众多物探方法被应用在城市勘察中。由于城市环境中存在大量沥青、混凝土路面或者狭小场地，物探方法在城市使用过程中受到了极大的限制，而探地雷达探测系统作为一种浅地表目标探测方法，具有小型化、使用场景多元化、无损探测等多方面优点。探地雷达向探测区域发射电磁脉冲，脉冲信号在地层传播时，由于介质的变化会产生不同的幅度响应和相位响应，部分能量被反射回地面，对回波信号做进一步分析，可实现目标的检测、识别和定位[1]。因此，探地雷达探测系统被广泛应用于矿产勘探[2]、工程质量检查[3]、灾害地质调查[4]等领域，具有重要的工程应用价值和经济价值。

发射天线和接收天线是探地雷达探测系统中的关键部件，用于发射和接收电磁波信号，其性能对探地雷达的探测能力产生决定性的影响。本研究设计了一种高指向性、超宽带的天线，并通过软件仿真模拟、实验验证等手段，验证了所设计的超宽带天线的工作带宽及信号收发特性，为埋地聚乙烯管探地雷达探测系统的开发提供了技术支撑。

2 探地雷达的工作原理

探地雷达的工作原理为：发射天线向地下发射电磁波脉冲信号，地下介质及目标将电磁波反射，反射电磁波被接收天线接收，见图1。接收天线将接收到的反射电磁波信号传递给采样系统，采样系统处理后形成探测区域的雷达成像图[5]。电磁波入射到探测区域时，在不同介质的分界面处会产生反射和透射，两层介质之间介电常数和磁导率的差别越小，界面损耗越小，透射出去的能量越大[6]。

图1 探地雷达的工作原理

发射天线和接收天线的工作带宽是探地雷达探测系统的重要参数。不同类型的天线具有不同的工作带宽，工作带宽不同的天线发射信号和接收信号的能力不同[7-11]。发射天线工作带宽越宽，代表其工作范围越大，但是其在工作带宽中的每个工作点的辐射能量越小；接收天线工作带宽越宽，代表其接收信号的能力越强，但接收的噪声信号也越多，后期信号处理的难度越大。因此，优化天线结构，设计合理工作带宽是天线设计的核心内容。传统的超宽带天线具有低色散的辐射特性，不具备良好的辐射能力，因此，设计一款辐射能力良好的超宽带天线具有重要的实际意义和工程价值。

3 超宽带天线设计与测试分析

3.1 超宽带天线结构设计

根据项目要求和技术原理分析，本研究对工作频率在200 MHz左右的Vivaldi天线进行结构优化设计，改善天线辐射性能，提升天线辐射增益，使得天线具有较高的辐射功率，增加探测深度。

Vivaldi天线是一种平面天线，结构见图2，介质基板的上表面为天线的收发主体结构，由逐渐张开的指数型曲线槽形成锥削槽辐射臂，指数型曲线槽从馈源点到末端口径逐渐展宽，形成类似喇叭口的结构，沿着展宽的方向实现阻抗变换。介质基板的下表面通过微带线与同轴电缆相连。Vivaldi天线是一种典型的行波天线，电流沿着槽线附近不断向前流动，末端的电流反射非常微弱，理论上可以具有很宽的阻抗带宽，在探测雷达工程中有很多应用。

图2 Vivaldi天线结构

选定天线的预期工作频率在200 MHz左右，在该频率下，天线的结构尺寸应当和系统的馈源信号相匹配。因此，天线的设计主要考虑以下方面。

① 选择合适的介质基板材料。综合考虑制造工艺、加工成本、材料特性等多方面因素，本研究采用FR-4材料作为介质基板，相对介电常数为4.3，介电损耗角正切为0.025，厚度为1 mm。

② 设计并优化Vivaldi天线的结构尺寸。根据Vivaldi天线的结构特点，天线的宽度b1受到指数型曲线槽的开口方向和延伸方向的影响，一般取最低频率对应波长的1/2左右，而指数型曲线槽的延伸长度L一般需要大于最低频率对应的波长，并且当L增加时，天线的方向性会有所提升。因此，利用CST电磁仿真软件对天线的结构尺寸进行仿真模拟研究，优化并确定天线的尺寸。

③ 确定信号馈源部分的结构尺寸。考虑到电磁波信号通过微带线与同轴电缆相连，因此要考虑中心频率处的特征阻抗能够与馈源相匹配。一般谐振腔的周长取中心频率对应波长的1/4左右。

按照以上设计步骤，在CST电磁仿真软件中优化确定工作频率在200 MHz的Vivaldi天线的最优尺寸，优化后的天线尺寸见表1。考虑到馈线处的阻抗应与直接相连的50 Ω同轴电缆相匹配，通过理论计算及仿真优化，微带线宽度设计为1.88 mm。利用电路板印刷工艺加工的Vivaldi天线实物见图3。

表1 优化后的Vivaldi天线尺寸

图3 Vivaldi天线实物

3.2 超宽带天线性能测试与分析

① 频域工作带宽测试与分析

回波损耗是表示天线发射效率的重要参数，回波损耗越大，天线辐射效率越差。利用中国电科院第41所的矢量网络分析仪(设备型号：AV36580A)对天线的性能进行测试，将仿真结果与测试结果进行对比分析，见图4。根据天线信号要求，一般回波损耗小于-10 dB的频率才可作为工作频率，用于信号的收发。从图4可以看出，天线实测的工作频率为160～530 MHz，绝对带宽为370 MHz，相对带宽为107%；仿真模拟的工作频率为170～590 MHz，绝对带宽为420 MHz，相对带宽为110.5%。根据美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)对超宽带天线的定义，超宽带天线为相对带宽大于20%或者绝对带宽大于500 MHz的天线。可见，所设计的天线满足超宽带天线的定义。另外，从图4可以看出，实测结果的工作频率范围略小于仿真结果，并且向低频偏移。分析认为，加工误差、测试环境以及电学阻抗匹配对所设计的天线性能的影响在可接受范围内。

图4 Vivaldi天线回波损耗仿真与实测数据对比

② 时域信号测试与分析

在CST电磁仿真软件中，在天线主辐射方向正前方距离1 m处设置信号探针，信号探针收到的天线发射信号仿真图谱见图5。根据文献[12]的计算方法计算，可得天线发射信号的保真系数为78.70%，拖尾度为2.9%，幅度峰值为46.095 V。

在实验室搭建天线检测平台，将发射天线与接收天线间隔1 m相对放置，将信号源通过衰减器连接到发射天线，将接收天线连接Tektronix示波器(型号：DPO 70604)，实验测试环境见图6。接收天线接收信号实测图谱(软件截图)见图7。由于测试时装配有2个天线，获取的结果是发射天线和接收天线共同工作时接收到的回波，相当于源信号经过了2次微分，理想的波形主脉冲应该是一个二阶的高斯脉冲信号。对比图5和图7可以发现，仿真图谱与实测图谱的形状并不完全相同，但二者在时间宽度上基本一致，单从图上来看接收天线实测信号并未发生太大畸变，但实测信号相比仿真信号存在2个幅度略高的拖尾信号，拖尾信号幅度相比主幅值较小。这与天线的印刷工艺形成的电磁耦合振荡以及测试环境有关，但误差并不严重，在工程可接受范围内。

图5 天线发射信号仿真图谱

图7 接收天线接收信号实测图谱(软件截图)

图8 探测系统装配

4 工程验证

为了方便现场检测，将接收天线和发射天线装入利用3D打印的ABS塑料外壳中，装配见图8，将接收天线和发射天线平行置于外壳两侧，并用卡槽固定。在整体结构中间用碳纤维板对整体框架结构加以固定并隔开，在上侧盖板内放置信号源和天线信号连接头，分别连接到发射天线和接收天线上，用于馈源信号的输入和接收信号的输出。在天线与这些部件之间同样采用碳纤维板分隔，并在中间的空隙处填充吸波材料以降低天线之间的直接耦合，提升信号隔离度。

图9 探地雷达成像图

在城市相对开阔、干燥的环境下，在混凝土路面上对所设计的探地雷达天线进行探测性能验证，得到的探地雷达成像图见图9。该路面下方埋有DN 160 mm的聚乙烯管道，设计埋深为1.2 m。从图9可以看出，该超宽带天线在干燥的城市环境中能够实现约5 m的探测深度，可有效识别埋深约为1 m的聚乙烯管道，满足工程需求。

5 结论

根据项目需求设计了工作频率为200 MHz、探测深度可达5 m的Vivaldi超宽带天线，通过CST电磁仿真软件仿真和实验测试，验证了所设计的天线的频域工作带宽特性和时域信号特性，仿真和实测结果基本吻合。通过在城市环境中实际测试，验证了所设计的天线在工程实际应用场景中的探测性能满足工程需求。