通過分析時域脈沖輻射信號的頻譜，確定了天線的工作頻率和帶寬，并根據在探地雷達應用中滿足信號最大能量對地輻射的要求，提出了一種快速有效的時域背腔式領結天線的設計方法，該方法簡便實用，便于在探地雷達系統的整體工程化設計中使用。所提出建立的方法得到了實驗和數值仿真結果的驗證，并在探地雷達整機的開發和設計中得到了成功應用。
關 鍵 詞 探地雷達; 天線設計; 瞬態脈沖信號; 背腔天線

Engineering Design of the Transient Back-Cavity Bowtie Antenna
ZHOU You PAN Jin NIE Zai-ping
(School of Electronic Engineering, UEST of China Chengdu 610054)
Abstract An effective method is proposed for the design of the transient back-cavity bowtie antenna for ground-penetrating radar(GPR)applications, which is based on the demand that the maximum energy of the transient signal ought to be emitted downward to the earth in GPR. In the process of the design the frequency band of the antenna is first determined by analyzing the frequency spectrum of the transient pulse to be radiated, and then the structure sizes of both the antenna and back cavity can hereby be found easily with the presented method. The proposed method for the antenna design, having great facility in the engineering applications, has been validated by experiments and numerical simulation results. Otherwise, a GPR system, based on such-designed antenna with good performance in the buried- object detections, was developed with success.
Key words GPR; antenna design; transient pulse signal; cavity antenna
探地雷達中除要求收發天線要有良好的對地輻射性能外，還要求天線具有極大的瞬時帶寬，這給時域探地雷達的天線設計提出了很大挑戰，并使其成為探地雷達中最重要的關鍵技術。目前，用于窄脈沖信號輻射的天線主要有TEM喇叭、領結天線和加載天線等形式[1,2]，其中領結形天線能較好的兼顧瞬時帶寬、信號保形以及有效輻射等方面的性能，而且制作簡單、輕便，是探地雷達所采用的一種主流天線。但是，領結天線的輻射方向圖類似于偶極天線，即在H面近似為全向輻射[3]，也就是信號在對地向下輻射和接收的同時也向地面上方有同等強度的信號輻射和接收，這給探地雷達的目標探測應用造成了不利。為了改善領結天線的以上不足，提高雷達系統的信噪/雜比，增強天線的對地輻射能力，將領結天線放入金屬背腔內形成背腔式天線是一種行之有效辦法[4]。同時，采用背腔結構還可以提高收發天線間的隔離度。
本文通過分析探地雷達輻射脈沖的信號頻譜，結合探地雷達要求信號最大能量對地輻射的原則設計一種快速有效的時域背腔式領結天線。
1 時域背腔領結天線的設計
1.1 時域脈沖天線的頻帶設計要求
脈沖體制探地雷達的窄脈沖瞬態信號具有寬帶的頻譜成分，其頻譜通過傅里葉變換求得。如對于4 ns高斯脈沖，該信號的主要能量集中在125～505 MHz，信號最強頻點為315 MHz。其頻譜特性決定了適合該信號收發的超寬帶天線應以315 MHz為中心頻率，并要求覆蓋125～505 MHz的頻段進行設計。
1.2 脈沖領結天線的設計
無限長雙錐天線是一種寬頻帶天線，這是因為它的輸入阻抗具有頻率不變性，帶寬無限。對于有限長雙錐天線，高頻端的特性仍然可以保持，但其低頻輻射性能會降低，天線的長度決定了天線的低端工作頻率，頻帶可以通過增大錐角來展寬，因此雙錐天線的寬帶特性使其可作為一種理想的脈沖天線。通常鑒于工程使用和加工的便利，一種雙錐天線的變形──領結天線在實際工程中得到廣泛應用。它具有和雙錐天線很相似的電性能，而且是平面結構，適合用作探地雷達的收發天線。領結天線在張角較大時具有和雙錐天線類似的寬頻帶特性，張角越大，它的頻帶就越寬。在設計時根據系統尺寸和性能的要求一般選擇張角在60°～90°之間。天線的臂長是決定天線低端頻率的重要參數，天線臂越長，天線低頻覆蓋性能越好，其長度與低頻端波長的關系由下式給出[5]：

1.3 天線背腔的設計
良好的背腔設計應在屏蔽地面上干擾信號，抑制后向輻射的同時增大天線的對地輻射增益，因此合理設計背腔尺寸是影響背腔領結天線性能的關鍵因素。理想的時域背腔式天線設計需通過大量數值計算進行仿真來確定良好的背腔尺寸，不便于雷達系統的工程化設計應用。對于有效抑制后向輻射和增大天線前向輻射增益的要求，背腔設計中大面積的背腔頂面對天線的鏡像作用是影響背腔式天線輻射性能的主要因素。考慮到任何一個確定尺寸的背腔相對于寬帶脈沖信號而言都是一個窄帶系統，故決定鏡像作用效果的背腔高度設計應針對脈沖信號的最強頻點來確定。該思想為時域背腔式天線的工程化設計提供了基礎。