一种应用于探地雷达系统的超宽带异形槽天线技术方案

本发明专利技术公开了一种用于探地雷达系统的超宽带天线，属于超宽带天线技术领域。本超宽带天线包括介质基板、微带馈线以及位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元；所述辐射贴片单元中部至末端有一漏斗状凹槽；所述漏斗状凹槽底部有一矩形金属贴片负载，该负载位于凹槽底部中轴线处，与金属辐射贴片连接；所述辐射贴片单元中部有两个宽度相同且远小于其长度的开槽，同时两槽至天线末端距离相等；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，于辐射贴片底部与其相连接；所述馈线接地贴片单元形状与辐射贴片单元形状完全一致，两者互为中心对称关系，且两者在介质基板下表面处投影互为轴对称关系。本超宽带天线覆盖频带宽，能完全满足探地雷达系统要求。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于探地雷达系统的超宽带异形槽天线
本专利技术属于超宽带天线
，设计一种应用于探地雷达系统的超宽带天线。
技术介绍
超宽带技术(UWB,Ultra-WideBand)是一种新型无线通讯技术是一种新型无线通讯技术，在早期主要被应用于近距离高速数据传输领域。在工程实践中，常用的超宽带天线大近年来，随着国际学术界对。近年来，随着国际学术界对。近年来，随着国际学术界对超宽带技术的研究逐渐深入，超宽带技术凭借其信号拥有较强穿透性，被科研人员广泛应用于探地雷达领域。作为一种利用电磁波在介质不连续处产生反射和散射现象来实现对地下小于50m处目标识别定位的有效工具，探地雷达(GroundPenetratingRadar,GPR)检测优势在于其速度快、过程连续、成像清晰度高，且在操作上具有灵活便利、无损检测等特点，因而近几年在工程、地质勘探、军事等领域得到了广泛应用。早在20世纪初，德国人便开始使用探地雷达探测地下金属物体。之后，作为一种无损检测的新技术，探地雷达的应用从最初对弱衰减介质冰层厚度探测，发展到了工程检测和地质勘察领域。在工程实践中，常用的超宽带天线为非频变天线。这种天线在满足一定的条件之后其外向波的大部分能量被辐射，只有很小一部分能量会被反射。其工作频带可以不受理论限制，且输入阻抗在很宽的频率范围内能够基本保持不变，但是其VSWR和相位中心仍然会随着频率的变化而变化。其中，比较典型的超宽带天线有对数偶极子天线、领结型天线、对数螺旋天线等。另外，在天线设计过程中还应该考虑到各种因素的影响，比如天线方向性、阻抗匹配、天线传导损耗以及耦合噪声的干扰。目前，设计一种具有良好电性能的超宽带天线，其方法主要有以下几种：第一，截断法，即通过截掉天线臂的部分结构来实现在缩小天线尺寸的同时改善天线的电性能；第二，圆角化，即在天线臂两侧加入圆角以改善天线臂表面的电流分布，拓宽天线的阻抗带宽；第三，分布式电阻加载法，即在天线臂上添加电阻网络，改善天线臂的电流分布。第四，缝隙开槽法，即在天线臂的某一位置通过去掉一部分铜片的方法来添加缝隙，从而将天线臂分成多个部分；第五，异形开槽法，即在天线臂末端去掉一部分特定形状的铜片；第五，末端加载法，即在天线臂末端加载特殊结构，如过孔、电阻、微带线等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，与其他同类天线相比，该天线尺寸较小，结构简单，且具有良好的超宽带特性。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种用于探地雷达系统的超宽带天线，包括介质基板、微带馈线以及位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元；所述辐射贴片单元中部至末端有一漏斗状凹槽；所述漏斗状凹槽底部有一矩形金属贴片负载，该负载位于凹槽底部中轴线处，与金属辐射贴片连接；所述辐射贴片单元中部有两个宽度相同且远小于其长度的开槽，同时两槽至天线末端距离相等；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，于辐射贴片底部与其相连接；所述馈线接地贴片单元形状与辐射贴片单元形状完全一致，两者互为中心对称关系，且两者在介质基板下表面处投影互为轴对称关系。进一步，所述位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元形状完全相同，贴片长L为303.5-306.6mm，宽W为79.0-81.1mm。进一步，所述漏斗状凹槽，其口部深度L5-L4为26.0-28.1mm，颈部深度L4为144.9-147.0mm，颈部宽度W3为34.0-36.1mm。进一步，所述矩形金属贴片负载，其宽度W4为9.0-11.1mm，长度L6为9.0-11.1mm。进一步，所述开槽位于天线贴片中部，其宽度GAP1为0.70-0.91mm，距天线臂末端距离为273.2-275.3mm。进一步，所述微带馈线包含三个部分：微带线、1/4波长阻抗转换器、天线边缘匹配结构。其中，天线边缘匹配结构长度Lz0为9.7-11.8mm，宽度Wz0为0.71-0.92mm；1/4波长阻抗转换器长度Lz1为85mm，宽度为0.36-0.57mm；微带线长度Lz2为15mm，宽度Wz2为1.27-1.48mm。进一步，介质基板材料为聚四氟乙烯，其介电常数约2.0-2.2，损耗角正切约0.0002，基板长为610mm，宽度为80mm。本专利技术的有益效果在于：第一，通过异形开槽法，即在天线臂末端去掉一部分漏斗形状的铜片以增大带宽，使其工作的最低频点达到了230MHz以下；第二，通过缝隙开槽法，即在天线臂的某一位置通过去掉一部分铜片的方法来添加缝隙，从而为天线增加容性负载，用以与自身的感性阻抗相匹配，从而使天线阻抗的虚部尽可能逼近于0；第三，通过末端加载法，即通过在天线末端开槽底部加载微带线，调节天线工作频带中高频部分的驻波比，进一步增大天线的工作带宽，使天线的相对带宽提高至98.9％，与相同电尺寸的其他同类天线相比，相对带宽有较大提升。附图说明为使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线的整体结构三维视图；图2为本专利技术所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线的俯视图；图3为本专利技术所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线的正视图；图4为本专利技术的驻波比随频率变化的曲线图；图5为本专利技术分别在230MHz、280MHz、490MHz、680MHz频点的E面的辐射方向图；图6为本专利技术分别在230MHz、280MHz、490MHz、680MHz频点的H面的辐射方向图；图7为本专利技术所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线增益随频率变化曲线图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术作进一步详细描述。图1为本专利技术的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线的整体结构三维视图，如图所示：本专利技术所述的一种用于探地雷达系统的超宽带天线，包括介质基板、微带馈线以及位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元。其中，介质基板的上表面与下表面分别紧贴于金属辐射贴片单元与馈线接地贴片单元，且两者形状完全相同，互为中心对称关系；另外，金属贴片中末端有一漏斗状凹槽，该漏斗槽使得天线在低频段能够具有良好的驻波特性。天线设计具体步骤如下：步骤一：介质基板材料选择。介质基板为薄长方体型基板，材料为聚四氟乙烯，其介电常数约2.0-2.2，损耗角正切约0.0002，基板长L为610mm，宽度W为80mm；接地板、微带馈线、辐射贴片、馈线接地贴片均为厚度相同的金属薄贴片。步骤二：天线基本辐射单元的设计。天线的基本辐射单元基于典型的领结型天线原理进行重新设计，使其物理结构能够满足探地雷达的应用场景。根据天线的工作频段以及超宽带的要求，最终设计得到的领结型天线长为610mm，宽为80mm。步骤三：天线加载结构设计。为了提升天线的工作性能，使得其性能在较宽频段内能够保持一致性，需要在原有的基础上对天线结构进行加载设计。本设计选择通过在金属贴片漏斗状凹槽底部紧贴一矩形微带线负载的方式进行加载，在实验仿真过程中，发现矩形微带线负载在长度和宽度均为10mm时，对天线工作频段高频部分的驻波特性改善效果最好。步骤四：天线容性负载结构设计。本设计在金属贴片负载两侧有两段共线的窄缝隙将金属贴片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于探地雷达系统的超宽带天线，其特征在于：包括介质基板、微带馈线以及位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元；所述辐射贴片单元中部至末端有一漏斗状凹槽；所述漏斗状凹槽底部有一矩形金属贴片负载，该负载位于凹槽底部中轴线处，与金属辐射贴片连接；所述辐射贴片单元中部有两个宽度相同且远小于其长度的开槽，同时两槽至天线末端距离相等；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，于辐射贴片底部与其相连接；所述馈线接地贴片单元形状与辐射贴片单元形状完全一致，两者互为中心对称关系，且两者在介质基板下表面处投影互为轴对称关系。

【技术特征摘要】
1.一种用于探地雷达系统的超宽带天线，其特征在于：包括介质基板、微带馈线以及位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元；所述辐射贴片单元中部至末端有一漏斗状凹槽；所述漏斗状凹槽底部有一矩形金属贴片负载，该负载位于凹槽底部中轴线处，与金属辐射贴片连接；所述辐射贴片单元中部有两个宽度相同且远小于其长度的开槽，同时两槽至天线末端距离相等；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，于辐射贴片底部与其相连接；所述馈线接地贴片单元形状与辐射贴片单元形状完全一致，两者互为中心对称关系，且两者在介质基板下表面处投影互为轴对称关系。2.根据权利要求1所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，其特征在于：所述位于介质基板上表面的辐射贴片单元和位于介质基板下表面的馈线接地贴片单元形状完全相同，贴片长L为303.5-305.6mm，宽W为80.0mm。3.根据权利要求1所述的一种应用于探地雷达系统的超宽带天线，其特征在于：所述漏斗状凹槽，其口部深度L5-L4为26.0-28.1mm，颈部深度L4为144.9-147.0mm，颈部...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈锋，吴宇轩，徐定杰，杨朋举，袁月，赵雨晴，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23