高增益圆极化双槽Vivaldi天线.pdf
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1、刘淑芳,薛源,李坤哲,等.高增益圆极化双槽 Vivaldi 天线J.电波科学学报,2023,38(3):470-475.DOI:10.12265/j.cjors.2022137LIU S F,XUE Y,LI K Z,et al.A dual-slot Vivaldi antenna with high gain and circular polarizationJ.Chinese journal of radio science,2023,38(3):470-475.(in Chinese).DOI:10.12265/j.cjors.2022137高增益圆极化双槽 Vivaldi 天线刘淑芳
2、*薛源李坤哲毛玥程乾史小卫(西安电子科技大学电子工程学院,西安 710071)摘要 探地雷达在地质勘探、军事、考古及建筑工程等领域有着非常重要的作用.为提高地下目标探测的准确性与成像分辨率,增强对地下线型目标的探测能力,提出了一种用于中浅层地下目标探测的高增益圆极化双槽 Vivaldi 天线.该 Vivaldi 天线的开槽部分由不同的指数线构成,使得槽的开口方向有一定的内倾,可以有效提高天线的增益;将两个双槽 Vivaldi 天线以正交的形式组合,并对天线两端口进行等幅、90相位差的馈电,实现天线的圆极化辐射.仿真与实测结果表明,所设计的高增益双槽 Vivaldi 天线在 0.53 GHz 内
3、驻波比小于 2,绝对带宽为 2.5 GHz;带内增益均大于 3.5 dBi,最大增益可达 12.5 dBi;工作频带内轴比均小于 3 dB 且具有较好的时域特性.所提出的天线具有超宽带、高增益、圆极化等特点,在地下目标探测中具有广阔的应用前景.关键词探地雷达天线;双槽 Vivaldi 天线;高增益;超宽带;圆极化中图分类号TN82文献标志码A文章编号1005-0388(2023)03-0470-06DOI 10.12265/j.cjors.2022137A dual-slot Vivaldi antenna with high gain and circular polarizationLIU
4、 Shufang*XUE YuanLI KunzheMAO YueCHENG QianSHI Xiaowei(School of Electronic Engineering,Xidian University,Xian 710071,China)AbstractGround penetrating radar plays a very important role in geological exploration,military,archaeology,construction engineering and other fields.To improve the accuracy an
5、d imaging resolution of underground targetdetection systems and enhance the detection ability of underground linear targets,a high gain circular-polarized double-slot Vivaldi antenna is proposed for medium and shallow underground target detection.The slot part of the Vivaldiantenna is composed of di
6、fferent exponential lines,which makes the slot opening direction incline inward to a certainextent,and can effectively improve the gain of the antenna.Two double-slot Vivaldi antennas are combined in anorthogonal form,and are fed with equal amplitude and 90 phase difference to realize the circular p
7、olarization radiation.The simulation and measurement results show that the voltage standing wave ratio(VSWR)of the proposed antenna isless than 2 in the range of 0.53 GHz.In this band,the antenna gain is greater than 3.5 dBi and the maximum gain canreach 12.5 dBi.The axial ratio in the working frequ
8、ency band is less than 3 dB and the antenna has good time domaincharacteristics.The proposed antenna has the characteristics of ultra-wideband,high gain and circular polarization,which make the proposed antenna have broad applications in underground target detection.Keywordsground penetrating radar
9、antenna;double-slot Vivaldi antenna;high gain;ultra-wideband;circularpolarization 引言探地雷达(ground penetrating radar,GPR)是一种利用电磁波对地下目标进行探测的雷达,具有经济、高效、无损、可实现高分辨率成像等特点.GPR 向地下发射电磁波信号,利用接收信号所携带的幅相、时 收稿日期:2022-06-20通信作者:刘淑芳 E-mail: 第 38 卷第 3 期电波科学学报Vol.38,No.32023 年 6 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEJune,
10、2023 延等信息进行成像,最终获得地下埋藏和地质结构等相关信息1-4.天线是 GPR 系统中最为重要的部件之一,其性能的优劣直接关系到整个系统的工作能力.如果天线在其他指标相同的情况下有着更高的增益,则可以提高 GPR 系统对地下目标探测的准确性和定位精度,并减少收发天线之间的影响,降低耦合效应对探测结果的影响.管道、线缆等线型地下细长物体的探测是 GPR 的重要应用领域之一,这些细长目标产生的后向散射场主要以线极化为主,极化方向平行或垂直于目标的长轴,而与入射场的极化状态无关.当使用线极化天线作为 GPR 天线对此类线性目标进行探测时,会产生较大的误差5,需要对探测区域进行多次复测,这不仅
11、增大了探测的工作量,对于探测准确性而言也是一种挑战.现有 GPR 天线的主要形制有 TEM 喇叭天线6-7、蝶形天线8-9、螺旋天线10和 Vivaldi 天线11等.其中,Vivaldi 天线定向辐射能力强、带宽宽、时域特性良好、加工难度小,是目前 GPR 天线的研究重点之一.Vivaldi 天线最早由 Gibson 于 20 世纪 70 年代末提出,是一种具有渐变槽线结构的印刷天线12-13.然而,传统 Vivaldi 天线的增益较低、方向性不理想,且当 Vivaldi 天线蚀刻在较厚介质板上时,在较高频段主波束会出现分裂的情况14.双槽 Vivaldi 天线是一种新型 Vivaldi 天
12、线,因其能够有效提高天线增益而获得了广泛关注15-17.但目前对其研究大都集中在提高增益方面,且工作频段较高,不适用于 GPR.本文提出一种适用于 GPR 的高增益圆极化双槽 Vivaldi 天线.通过将单一指数型槽线改进为两种指数槽线所构成的内倾非对称槽线,将能量有效聚集于主辐射方向,达到提高增益的目的.同时将两边槽线由指数型改为指数-圆弧结合的形式,拓展了天线的低频带宽.将两个相同的双槽 Vivaldi 天线正交放置,并给两个端口等幅、90相位差的馈电,使天线实现圆极化特性.圆极化 GPR 天线弥补了线极化天线在对线性地下目标探测时误差较大的缺点,可有效提升 GPR 对地下线性目标探测的准
13、确性.本文所设计的 GPR 天线工作范围为 0.53 GHz,在 6 倍频内可实现高增益、圆极化辐射,可用于无载频脉冲形制的 GPR.1 双槽 Vivaldi 天线设计与分析双槽 Vivaldi 天线结构如图 1 所示.正面为金属辐射贴片,与一般的 Vivaldi 天线相类似,该部分结构由圆形槽线、矩形槽线和指数槽线构成,但双槽Vivaldi 天线的指数型槽线由两种指数线构成且二者所构成的槽线内倾非对称.指数型槽线数学表达式由式(1)给出,中间叶状贴片的指数线曲率大于两边的指数线,该设计可以有效地将能量聚集于主辐射方向,达到提高天线增益的目的.y1(x)=12(Ws+geln(WWsg)xL1
14、)y2(x)=12(Wsgeln(Wsg)xL2).(1)式中:Ws为两条指数型槽线的横向宽度;L1为指数型槽线 y1的纵向长度;L2为指数型槽线 y2的纵向长度;g 为圆形槽线和指数线槽线之间的矩形槽线的宽度;W 为天线整体宽度.(a)正视图(a)Front view W50W100fRfsL50L100L100aL100b(b)馈电部分结构(b)Structure of feedWLy1(x)y2(x)RsLfRlgL2L1Ws图 1 双槽 Vivaldi 天线的示意图Fig.1 Schematic of double-slot Vivaldi antenna 左右两边槽线采用指数与圆弧结
15、合的槽线设计.在相同的天线长度下,指数-圆弧结合的槽线比单一指数槽线末端开口更大,可以使天线工作在更低的频率,向下展宽天线的工作带宽.介质板使用厚度为2 mm,介电常数为 2.2 的 F4BM-2 材料.天线的馈电结构位于辐射贴片背面,为一 T 型功分器.与传统Vivaldi 天线类似,同样使用一个扇形结构作为微带线末端,以增加开路效应,拓宽工作带宽17-19.采用该馈电结构对两个槽进行等幅同相激励,从而形成高增益辐射.图 2 给出了同工作频段、相近尺寸条件下传统第 3 期刘淑芳,等:高增益圆极化双槽 Vivaldi 天线471 Vivaldi 天线与本文设计的双槽 Vivaldi 天线在 1
16、 GHz时的电场分布.可以看出相较于传统的 Vivaldi 天线,双槽 Vivaldi 天线具有更好的方向性.E/(Vm1)500.000 0466.667 3433.334 7400.002 0366.669 3333.336 7300.004 0266.671 3233.338 6200.006 0166.673 3133.340 7100.008 066.675 333.342 70.010 0图 2 双槽 Vivaldi 天线(左)与传统 Vivaldi 天线(右)电场分布对比Fig.2 Comparison of electric field between double-slotV
17、ivaldi antenna(left)and traditional Vivaldi antenna(right)通过 HFSS 仿真分析与优化,最终确定了天线的最优参数.图 1 中对应的各项参数如表 1 所示.表 1 双槽 Vivaldi 天线各参数Tab.1 Parameters of double slot Vivaldi antenna参数取值参数取值W304.6 mmW505.52 mmL325 mmLf10 mmRs22 mmL5030 mms3.55 mmf90155Rf19 mmW1001.54 mmWs80 mmL10022.46 mmL1240 mmL100a36.47
18、mmL2120 mmL100b20.46 mmg1.8 mmR140 mm 2 圆极化双槽 Vivaldi 天线的设计相较于线极化 GPR 系统,圆极化 GPR 系统可以减少收发天线极化隔离导致的信号损失,无需考虑收发天线的放置方式,使得 GPR 可以在更为复杂地形条件下使用;且可以应对复杂的地下电磁环境和多样的探测目标,提高探测精度和效率.如图 3 所示,圆极化天线由两个双槽 Vivaldi 天线组成.为实现两个天线的正交组装,在双槽 Vivaldi天线的纵向中线处分别开槽.为减少开槽对天线馈电部分的影响,略微调整开槽天线 50 微带线的长度,使下开槽 Vivaldi 天线的馈电部分较上开槽
19、 Vivaldi天线低 4 mm.将两个双槽 Vivaldi 天线正交放置后进行仿真分析,发现天线在低频段阻抗匹配较差,尤其是下开槽天线(端口 2).分析认为,这是由于下开槽破坏了 Vivaldi 天线槽线下方金属贴片的完整性,使天线电流分布出现不连续.为改善这一情况,需对电流的不连续性进行补偿.在上开槽天线的对应处开一个金属通孔,通过金属通孔,将被开槽切断的金属贴片连接起来,以此来补偿贴片断开对电流的影响.端口 2端口 1金属通孔图 3 圆极化双槽 Vivaldi 天线示意图Fig.3 Schematic of circularly polarized double-slot Vivaldi
20、antenna 图 4(a)为采用金属通孔补偿前后圆极化双槽Vivaldi 天线的|S11|和|S22|情况.可以看出,加入金属通孔后,较大程度地改善了低频的阻抗匹配,天线两个端口在 0.53 GHz 频带内|S11|和|S22|均低于10 dB.对天线两端口进行等幅、90相差馈电,其轴比(axialratio,AR)仿真结果如图 4(b)所示.可以看出,在工作频段内,AR 均小于 3 dB,展现出良好的圆极化特性.0.51.01.52.02.53.03.5403020100S 参数/dB频率/GHz 补偿前端口 1|S11|补偿前端口 2|S22|补偿后端口 1|S11|补偿后端口 2|S2
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