探测地下目标的矩形波导天线的研究设计

摘要

为探究特定介质中地下浅层埋设目标的电磁波探测响应特征，满足城市地下管线管理及未知目标探测的迫切需求，基于深入分析矩形波导理论，笔者设计了一款专为探地雷达系统使用的高性能天线。首先，依据电磁波在矩形波导中的传播特性，构建了天线的基础模型，计算了天线的截止频率，并选定单极子探针作为有效激励源。其次，利用电磁仿真平台(Ansys electronics desktop, AEDT)中的高频结构仿真器(high frequency structure simulator, HFSS),对天线模型进行了数值模拟和优化。通过深入分析单极子探针在矩形波导内的安装位置与插入深度对天线传输特性的影响，精确调控了天线的S11反射系数、电压驻波比(voltage standing wave ratio, VSWR)及辐射方向图。最后，为验证理论分析与仿真结果的准确性，采用铝箔板材料制作了天线实物，并在受控的沙槽中使用矢量网络分析仪(vector network analyzer, VNA)搭建探地雷达系统进行实地测试，通过调整天线的探测高度来覆盖不同深度的地下目标。实验结果表明，该天线能够稳定、准确地识别并成像所有预设目标。基于矩形波导的探地雷达天线，在精细调节探针的插入深度和其到矩形波导短路面的长度后，可以实现天线阻抗的最佳匹配，展现出卓越的定向性、超宽带以及高分辨率等特性，为城市地下空间管理及未知目标探测提供了一种高效、准确的新工具。

关键词

高频结构仿真器 / 矩形波导 / 超宽带天线 / 探地雷达

基金资助

陕西省土地工程与人居环境技术创新中心开放基金项目(2021WHZ0080); NSFC项目(42074119); 吉林省军区综合办公室化学武器探测收回工程((2022)JMRH168)