探地雷达天线辐射端透镜的设计

葛薇 刘闯 元勇虎 朱今祥 陈娟

摘  要  为了提高探地雷达天线的增益，增加地下目标探测的深度，本文提出了在探地雷达天线辐射端加载透镜的方法. 通过对阿基米德螺旋天线分别加载圆环式透镜、超材料透镜和介质平板透镜进行仿真设计，对天线加载透镜与否的回波损耗和增益进行对比，研究发现，加载不同的透镜均可提高天线增益. 三种透镜均具有结构简单、成本低、易加工的优势，除此之外也各有特点，选择透镜时，需要综合考虑探地雷达天线的回波损耗、增益、工作频率与尺寸大小.

关键词  透镜；探地雷达；天线；回波损耗；增益

Design of radiation end lens for ground penetrating radar antenna

Ge Wei1  Liu Chuang1  Yuan Yonghu1  Zhu Jinxiang1  Chen Juan2

1.China Research Institute of Radiowave Propagation  ShandongQingdao  266107; 2. Xian Jiao Tong University  ShaanxiXian  710071

Abstract  In order to improve the gain of ground penetrating radar antenna and increase the depth of subsurface target detection， a method of loading lens at the radiation end of ground penetrating radar （GPR） antenna is proposed in the paper. After we simulate the Archimedes spiral antenna with toroidal lens， metamaterial lens and dielectric plate lens respectively and compare the return loss and gain of the antenna loading with or without lens， it is found that the antenna gain can be improved by loading different lenses. All the three kinds of lenses have the advantages of simple structure， low cost and easy processing. In addition， they also have their own characteristics. When selecting the lens， we should consider the return loss， gain， frequency and size of GPR antenna comprehensively.

Keywords：lens; GPR; antenna; return loss; gain

如何提高探地雷达的探测深度是地下目标探测领域共同关注的问题，而提高天线的增益是提高探深的重要手段。近年來，各国学者尝试通过在天线辐射端加载透镜来提高天线增益，如常见的介质凸透镜。介质凸透镜原是一种用于使光线聚焦的光学器件，用于天线设计时，将弱方向性天线置于透镜的一个焦点或焦平面上，馈源所辐射的球面波经透镜折射后转变为口径面的平面波，从而极大地提高了天线的增益，降低了天线的旁瓣和后瓣。苏格兰ADROK公司基于其提出的原子介电共振（ADR）理论设计了一款可进行深地探测的探地雷达[1-2]。为了使天线辐射出准直、相干、聚焦的电磁波，天线辐射端加载了菲涅尔透镜[3]。这一关键技术使得整个系统的探测深度最深可达4km。国内西安电子科技大学设计了介质透镜加载的TEM喇叭天线和加载超材料透镜的屏蔽蝶形天线[4]，天线增益最高可达11dB。但是，加载介质透镜会引入严重的振铃效应，波形失真严重。并且当在低频段设计介质透镜或组阵时，毫米波透镜的口径往往是工作波长的几倍甚至几十倍，而低频段的波长较大导致了透镜厚度和重量都非常大，不能用于实际探测。

本文对圆环式透镜、超材料透镜和介质平板透镜进行了研究，对阿基米德螺旋天线分别加载这三种透镜，在探地雷达常用工作频率200MHz-400MHz范围内进行仿真，研究表明，加载透镜后天线增益均得到提高。三种透镜各具优势，结构简单加工方便，适合用于探地雷达天线系统的优化设计，为提高地下目标的探测深度提供了新方法。

1  圆环式透镜

1.1  圆环式透镜结构

圆环式透镜是一种填充高相对介电常数介质材料的凹槽型透镜，其思想来源于光学小孔衍射现象。结构如图1所示，中心为一圆台，在基板正反两面的对称位置开挖宽度、深度相同的同心圆形槽，槽与槽之间具有相同的间距，在凹槽位置填充高相对介电常数材料，如图2所示。为使透镜小型化，基板材料可选用相对介电常数为10的无耗氧化铝，填充材料可选用相对介电常数为850的陶瓷材料，由此可以得到最大场强增强效果。

1.2  圆环式透镜性能

将圆环式透镜放置于阿基米德螺旋天线的辐射端，分别仿真加透镜与不加透镜时系统的整体增益情况。

图3为加透镜与不加透镜两种情况下系统的回波损耗结果，可以看出，阿基米德螺旋天线的超宽带特性在使用透镜后依然得到了很好的保持，透镜的加入几乎不影响系统的回波损耗。

加透镜与不加透镜两种情况下的增益对比如图4所示，加透镜后天线的增益在全频段内均得到了提高，特别是在300MHz附近的增益提升最为明显，可提高4.87dB，说明使用圆环式聚焦透镜能显著改善增益。

2  超材料透镜

2.1  超材料透镜的结构

超材料透镜是一种人工设计的等效介质，由周期重复的超材料结构单元印刷在介质板上构成，可以使其等效相对介电常数和磁导率为负数。超材料结构单元如图5所示，基板材料可选取相对介电常数为4.3的FR-4板材，上面印刷粗细不同的金属折线结构，此结构可以实现在宽频带内聚焦效果，从而提高系统增益。将超材料单元周期重复排列，如图6中由42个超材料单元构成超材料透镜的整体结构。

2.2  超材料透镜的性能

将超材料透镜放置于阿基米德螺旋天线的辐射端，分析加透镜与不加透镜时系统的性能。

图7为加透镜与不加透镜两种情况下系统的回波损耗结果，可以看出，阿基米德螺旋天线的超宽带特性在使用透镜后依然得到了很好的保持，透镜的加入几乎不影响系统的回波损耗，甚至会改善回波损耗的结果，使得系统的匹配更佳。

在增益方面，如图8所示，加透镜后天线的增益在全频段内均得到了提高，在300MHz时增益提高了1.5dB，结果表明使用超材料透镜能显著改善增益。

超材料透镜为平板形状，易于加工和安装，介质印刷工艺简单成熟，超材料结构性能优越，可以用于探地雷达天线的优化设计。

3  介质平板透镜

3.1  介质平板透镜的结构

介质平板透镜由介质基板上加载与之不同相对介电常数的介质柱构成。需要在高相对介电常数的介质基板上开凿圆柱形介质小筒，填充低相对介电常数的材料，如图9所示。此处介质基板选用相对介电常数为100的矩形介质基板，圆柱形介质小筒填充相对介电常数为30的材料。

3.2  介质平板透镜的性能

将介质平板透镜放置于阿基米德螺旋天线的辐射端，分析加透镜与不加透镜时系统的性能。

图10为加透镜与不加透镜两种情况下系统的S11结果，可以看出，加入透镜后对较低频段的回波损耗会有一定的影响，但在275MHz-400MHz仍旧保持在-10dB以下，能一定程度上保持阿基米德螺旋天线的超宽带特性。

图11显示了加入介质平板透镜与不加透镜的增益对比图，可以看出，加透镜后天线的增益在全频段内均得到了提高，在300MHz附近的增益提升尤为明显，可达3.3dB。显然，使用介质平板透镜能显著改善增益。

介質平板透镜在较低频段的回波损耗有所欠缺，加载透镜时需考虑天线的工作频率。

结论

三种透镜各有特点，分别利用了特殊衍射结构、超材料、介质柱加载结构，实现了天线增益的提高。对于阿基米德螺旋天线，圆环式聚焦透镜的加入几乎不影响系统的回波损耗，在300MHz时的增益可提高4.87dB。超材料透镜会改善系统的回波损耗，使得系统的匹配更佳，在300MHz时增益提高了1.5dB。介质平板透镜影响天线系统在较低频段的回波损耗，在300MHz时的增益可提升3.3dB。三种透镜均具有尺寸小、剖面低、效果明显等特征，具有很强的实用价值，在选择时需综合考虑天线的回波损耗、增益、工作频率与尺寸大小。

（创新说明：为了解决探地雷达增益低、探深浅的问题，在探地雷达的低频天线（选用阿基米德螺旋天线进行仿真，天线中心频率为200MHz-400MHz）辐射端分别加载三种特殊材料的透镜，用于提高天线增益。

国内外最新发展动态：从文献来看，国外只有苏格兰ADROK公司的探地雷达天线端加载菲涅尔透镜，用于产生准直、相干、聚焦的电磁波，国内仅有西安电子科技大学李慧敏等人设计了介质透镜加载的TEM喇叭天线和加载超材料透镜的屏蔽蝶形天线。）

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作者簡介：葛薇  （1991—  ），女，汉族，河南新乡人，硕士，中国电波传播研究所工程师，研究方向：低频电磁感应与探地雷达信号处理技术。