加载缺陷金属腔体的圆极化探地雷达天线

CP Cross Dipole Antenna with Defected Metal Cavity for GPR System

摘要

设计了一种加载缺陷金属背腔的宽带高增益圆极化交叉偶极子天线。天线在宽末端椭圆辐射贴片的基础上加载具有两种工作模式的缺陷金属腔体， 形成两个新的圆极化通带。此外， 天线贴片刻蚀了十字型缝隙结构提升极化连续性， 拓展天线圆极化带宽。同时， 利用阶梯状相位延迟线， 拓展天线阻抗带宽。对该天线进行仿真优化的结果表明： 该天线的阻抗带宽99.2%（0.95~2.82 GHz， 回波损耗小于-10 dB）， 圆极化带宽103.7%（0.9~2.84 GHz， 轴比小于3 dB）， 工作带宽内峰值增益7.4 dBic， 天线尺寸0.6{\lambda }_{\mathrm{0}}×0.6{\lambda }_{\mathrm{0}}×0.25{\lambda }_{\mathrm{0}}， 可广泛应用在超高频段探地雷达系统中。

Abstract

A broadband high-gain circularly polarized （CP） cross-dipole antenna loaded with a defective metal back cavity is proposed in this article. Based on wide-ended elliptical radiating patches， two new CP passbands are formed by loading defective metal cavities with two operating modes. In addition， four cross-slots are etched on the radiation patch to enhance polarization continuity. Meanwhile， a stepped phase delay line is employed to extend the impedance bandwidth （IMBW） of the antenna. The antenna is simulated and optimized， and the results show that the proposed antenna owns an IMBW of 0.95~2.82 GHz （99.2%）， a 3 dB axial ratio bandwidth （ARBW） of 0.9~2.84 GHz （103.7%）， a maximum gain of 7.4 dBic and a size of 0.6{\lambda }_{\mathrm{0}}×0.6{\lambda }_{\mathrm{0}}×0.25{\lambda }_{\mathrm{0}}， which meets the requirement of UHF band ground penetrating radar systems.

Graphical abstract

关键词

探地雷达 / 交叉偶极子天线 / 圆极化 / 缺陷金属腔体 / 宽带

Key words

ground penetrating radar / cross dipole antenna / circularly polarized / defected metal cavity / broadband

0 引　言

天线作为探地雷达系统的射频前端， 负责向地下发射电磁波并接收地表的电磁场回波， 性能好坏直接影响系统的最大探测深度、 地层分辨率等。圆极化交叉偶极子天线结构简单、 成本低廉， 可以接收除反向圆极化波的任意极化波， 近些年被广泛应用在探地雷达系统中^［1‐3］。传统圆极化交叉偶极子天线工作带宽仅有15%， 不利于探地雷达系统的高分辨率探测^［4］。为了拓展天线工作带宽， Qu等^［5］提出了金属背腔结构， 该结构可以形成一个新的圆极化通带， 从而拓展天线工作带宽。基于该研究， Saurav等^［6］利用金属背腔结构， 将传统圆极化交叉偶极子天线的工作带宽拓展至22.9%， 并提升天线的增益与前后比。Nguyen等^［7］采用双层阶梯状金属背腔结构， 在高频段形成两个新的圆极化频点， 拓展天线工作带宽至66.7%。Zhang等^［8］利用加载不等长鱼鳍结构的金属腔体， 实现96.6%的工作带宽， 并提升了天线的前后比。

在上述研究的基础上， 本文设计了一种加载缺陷金属腔体的宽带圆极化交叉偶极子天线。该天线采用宽末端半椭圆辐射贴片、 缺陷金属腔体和阶梯相位延迟线结构， 缺陷金属腔体不仅能以传统金属腔体模式工作， 在高频段形成圆极化通带， 而且可以延展辐射贴片的有效电流路径， 在低频段形成一个新的圆极化通带。该天线具有工作带宽大、 峰值增益高、 天线结构紧凑等优点， 能够提升探地雷达系统的最大探测深度及地层分辨率， 满足系统需求。

1 天线结构

图 1 所示为本文设计的宽带圆极化探地雷达天线结构， 天线由Arlon 350介质基板（介电常数=3.5； 损耗角正切=0.003）、 半钢同轴线、 半椭圆辐射贴片、 阶梯相位延迟环、 缺陷金属背腔和十字形缝隙组成。两对长轴为a、 短轴为b的半椭圆辐射贴片被分别印制在厚度H_s、 宽度W_s的介质基板上下两端， 同一端的辐射贴片由半径R₀、 线宽W₀、 W₁、 W₂的阶梯相位延迟线连接以实现阻抗匹配和90°相位差。50 Ω半钢同轴线穿过介质基板连接两端辐射贴片， 形成0°、 90°、 180°、 270°时序相差， 实现圆极化。十字缝隙长c、 宽d、 厚W， 相对天线中心旋转θ₁。缺陷金属腔体高H_c、 宽L_c、 厚W_c， 具体参数尺寸如表 1 所示。

2 天线原理分析

为进一步分析天线工作原理， 如图 2 所示给出天线设计流程。天线1使用半椭圆形辐射贴片及金属地板， 天线2在天线1的基础上加载了传统金属腔体结构， 不同于天线2， 天线3使用了缺陷金属腔体， 最终， 本文设计天线采用刻蚀了十字缝隙的半椭圆辐射贴片结合缺陷金属腔体。

图 3 所示为设计流程中天线的性能对比， 天线1、 天线2、 天线3与本文天线使用相同尺寸的Arlon 350介质基板， 且具有相同的天线剖面、 辐射贴片长度以控制变量。天线1阻抗带宽2.23~2.71 GHz（19.4%）， 圆极化带宽1.67~2.12 GHz （23.8%）， 这是由于天线1的4个辐射贴片具有时序相位差， 从而在1.9 GHz形成了一个圆极化频点。天线2在天线1的基础上加载金属背腔结构， 金属背腔利用辐射贴片耦合馈电， 形成了一个新的圆极化通带， 扩展天线阻抗带宽至1.64~2.85 GHz（53.9%）， 拓展天线轴比带宽至1.39~2.23 GHz（46.4%）。天线3在天线2的金属背腔上时序刻蚀了4个缺口， 阻抗带宽0.93~2.78 GHz（80.3%）， 圆极化带宽0.91~2.33 GHz （83.4%）。

相较于天线2， 天线3的缺陷金属腔体结构具有两种工作模式， 在高频段能通过耦合形成一个圆极化频点。如图 4 所示， 在低频段， 缺陷金属腔体能够延展天线辐射贴片的有效电流路径从而形成一个新的圆极化频点。本文设计天线在天线3的辐射贴片上刻蚀了十字型槽缝， 天线阻抗带宽为0.95~2.82 GHz（99.2%）、 3 dB轴比带宽为0.9~2.84 GHz（103.7%）， 十字缝隙可以提升天线的极化连续性， 使本文设计天线具有宽带特性。

3 天线性能

使用ANSYS HFSS 2022对本文设计圆极化探地雷达天线进行仿真分析。如图 5 所示为本文设计天线的轴比、 增益与回波损耗。

该天线具有0.95~2.82 GHz（99.2%）的阻抗带宽、 0.9~2.84 GHz （103.7%）的3 dB轴比带宽， 工作带宽99.2%， 峰值增益7.4 dBic， 工作带宽内平均增益5.45 dBic。如图 6 所示为phi=0°时天线在3个圆极化频点处的远场辐射方向图， 交叉偶极子天线具有辐射方向图对称的优点， 因此， 仅给出phi=0°的辐射方向图， 天线在0.9、 1.8、 2.8 GHz交叉极化均小于-10 dB。为了进一步分析天线参数对天线圆极化特性的影响， 对天线进行参数优化分析。

天线剖面对圆极化特性的影响如图 7 所示， 随天线剖面增加， 高频段圆极化频点不变， 低频段圆极化频点出现， 当H=38.2 mm时， 天线具有最佳圆极化特性。

金属腔体宽W_g对天线圆极化特性的影响如图 8 所示， 随W_g增加， 低频段圆极化频点消失， 高频段圆极化频点向低频段偏移， 说明高频段圆极化频点由金属腔体形成。当W_g=95 mm时， 天线具有最佳圆极化特性。

表 2 所示为本文设计探地雷达天线与参考文献中圆极化交叉偶极子天线的性能对比。

本文设计天线具有最大的圆极化带宽， 且设计天线结构紧凑。综上， 本文设计天线具有最大的工作带宽， 结构简单， 易于制造， 综合性能最好。

4 结　论

本文提出了一种高增益宽带圆极化探地雷达天线。天线由椭圆形辐射贴片、 半钢同轴线以及缺陷金属背腔组成， 缺陷金属背腔不仅可以通过耦合馈电在高频段形成一个圆极化频点， 还可以拓展贴片有效电流路径， 在低频段形成一个圆极化通带， 拓展天线带宽， 提升天线增益。天线结构紧凑， 尺寸0.6λ₀×0.6λ₀×0.25λ₀， 且具有99.2%的工作带宽（0.95~2.82 GHz， 回波损耗小于-10 dB且轴比小于3 dB）， 工作带宽内峰值增益达7.4 dBic， 交叉极化小于-10 dB， 满足超高频段探地雷达系统高分辨率、 大深度探测的需求。

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基金资助

中建二局科技资助计划(2021ZX000001)