（電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）寬帶探地雷達(dá)天線的研究與設(shè)計.pdf

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t s i n c et h ec o m p l e x i t yo fr e g i o na n dp a r t i c u l a r i t yo fm a n n e ro ne x p l o r a t i o n ，g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a rh a sah i g h e rr e q u i r e m e n tt h a nh an o r m a lr a d a rs y s t e m a c c o r d i n gt oa g p r p r o j e c tr e q u i r e m e n t ，a r c h i m e d e a ns p i r a la n t e n n af o rv e h i c u l a rg p r a n dh s h a p e d s l o ta n t e n n af o ra i r b o r n eg p ra r ea n a l y z e da n dd e s i g n e du s i n gf d t dm e t h o di nt h i s t h e s i s i nt h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，t h ef d t dm e t h o di sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n dt h e a n t e n n ac o m p u t i n gm o d e la r eb u i l t u s i n g i t n e a r - f i e l dc o m p u t i n gm o d e la n d n e a r f i e l dt of a r - f i e l dt r a n s f o r ma r ep r e s e n t e d r e s u l tp a r a m e t e r so ft h ef d t d p r o g r a m a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ep r o g r a mi sc h e c k e d i nt h es e c o n dp a r to ft h i st h e s i s ，t h ea f f e c to fp a r a m e t e r so fa r c h i m e d e a ns p i r a l a n t e n n at ot h ei n p u ti m p e d a n c ei sa n a l y z e db yf d t dm e t h o d ，a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so f t h ea n t e n n af o rt h ep r o j e c ti ss e l e c t e d m i c r o s t r i pb a l u ni sd e s i g n e df o rt h i sa n t e n n a b a s e do nt h ei n p u ti m p e d a n c e t h e nt h ea n t e n n ai sa c t u a l l yp r o d u c e da n dm e a s u r e d t h e e f f e c to nv s w rf o ra n t e n n ab yc h a n g i n ga b s o r b i n gs t r u c t u r e sp l a c e di n r e f l e c t i n g c a v i t yi sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i c a lr e s u l t ，an e wa b s o r b i n gs t r u c t u r ei s d e s i g n e da n da c t u a lm e a s u r e m e n ti s c a r r i e do u t t h ea p p l i c a t i o no ft h ea n t e n n ai n v e h i c u l a rg p ri si n t r o d u c e d i nt h et h i r dp a r to ft h i st h e s i s ，r a d i a l i z a t i o np r i n c i p l eo ft h eh s h a p e ds l o ta n t e n n a i sf i r s t l yi n t r o d u c e d ，a n dt h eh s h a p e ds l o ta n t e n n ai sm o d e l e du s i n gf d t dm e t h o d ，t h e a f f e c to fp a r a m e t e r so fh s h a p e ds l o ta n t e n n at ot h ei n p u ti m p e d a n c ei s a n a l y z e d a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so f t h ea n t e n n af o rt h ep r o je c ti ss e l e c t e d t h ea n t e n n aa n di t s m i c r o s t r i pb a l u ni sa c t u a l l yp r o d u c e da n dm e a s u r e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h em e a s u r e d d a t ai sa p p r o a c h i n gt ot h es i m u l a t e dd a t a ，a n di tm e e t st h er e q u i r e m e n to ft h ea i r b o r n e g p r p r o j e c t k e yw o r d s ：g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r a r c h i m e d e a ns p i r a la n t e n n a h - s h a p e d s l o ta n t e n n a 第i i 頁 困防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 表目錄 表3 1 螺旋天線參數(shù)表3 0 表3 2 天線軸比3 8 表4 1h 形天線仿真初始參數(shù)4 5 表4 2h 形天線參數(shù)4 8 第1 i i 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 圖 目錄 圖1 1機載和車載探地雷達(dá)2 圖2 1f d t d 空間網(wǎng)格單元7 圖2 2 同一網(wǎng)格不同的編號方式8 圖2 3 平面天線計算模型= 1 0 圖2 4 時域近場遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換中的時間延遲1 7 圖2 5f d t d 程序的流程圖2 l 圖2 6 簡單單極子天線的阻抗特性一2 2 圖2 7 簡單單極子天線的輻射方向圖2 2 圖3 1 平面阿基米德螺旋天線2 3 圖3 2 反射腔示意圖2 4 圖3 - 3阻抗變化圖一2 5 圖3 4 天線輻射器網(wǎng)格剖分示意圖一2 6 圖3 5 不同螺旋線寬度與間隙寬度之比對應(yīng)的輸入阻抗一2 7 圖3 6 不同內(nèi)徑對應(yīng)的輸入阻抗2 8 圖3 7 不同相對介電常數(shù)對應(yīng)的輸入阻抗一2 9 圖3 8 不同螺旋增長率對應(yīng)的天線輸入阻抗一3 0 圖3 9 阿基米德螺旋天線的輸入阻抗31 圖3 1 0 微帶漸變巴倫結(jié)構(gòu)3l 圖3 1 l 漸變巴倫的反射損耗3 1 圖3 1 2 整體仿真時天線的電壓駐波比3 2 圖3 1 3 整體仿真時天線的輻射方向圖3 2 圖3 1 4 阿基米德螺旋天線及巴倫3 3 圖3 1 5 不同吸波材料的設(shè)置結(jié)構(gòu)3 3 圖3 1 6 單層吸波與多層吸波結(jié)構(gòu)效果對比圖3 4 圖3 1 7 三層吸波與松散吸波結(jié)構(gòu)效果對比圖3 4 圖3 1 8 不同吸波結(jié)構(gòu)下天線的電壓駐波比特性3 5 圖3 1 9 ( a ) 天線存0 5 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 6 圖3 1 9 ( b ) 天線在1 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 6 圖3 1 9 ( c ) 天線存1 5 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 6 圖3 1 9 ( d ) 天線存2 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 7 圖3 1 9 ( e ) 天線在2 5 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 7 圖3 1 9 ( d 天線存3 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 7 第1 v 頁 困防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 圖3 2 0 圖3 2 l 圖3 2 2 圖3 2 3 圖3 2 4 圖4 1 圖4 2 圖4 3 圖4 4 圖4 5 圖4 6 圖4 7 圖4 8 圖4 9 圖4 1 0 圖4 1 1 圖4 1 2 圖4 1 3 圖4 1 4 圖4 1 5 圖4 1 6 超寬帶s a r 探雷地面驗證系統(tǒng)及其測試場景3 9 工作原理示意圖3 9 角反射器成像圖4 0 車載g p s a r 4 0 車載g p s a r 對埋地地雷探測成像圖4 l 縫隙輻射器4 2 縫隙與偶極子一4 3 無限大平片上垂直縫隙的輻射方向圖4 3 有限大小導(dǎo)電片上的垂直縫隙在x y 平面內(nèi)的方向圖4 4 h 形縫隙天線4 4 天線輻射器參數(shù)圖一4 5 參數(shù)d 對天線輸入阻抗的影響4 6 參數(shù)x 對天線輸入阻抗的影響4 6 參數(shù)t 對天線輸入阻抗的影響4 7 參數(shù)y 對天線輸入阻抗的影響4 7 天線輻射器的輸入阻抗4 8 仿真得出的天線電壓駐波比4 9 整體仿真時天線的輻射方向圖4 9 天線實物結(jié)構(gòu)4 9 實測天線電壓駐波比曲線5 0 天線的實測方向圖5 l 第v 頁 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它 教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文題目：寶董拯墊置鯊云綾鮑硒塞皇遮過 學(xué)位論文作者簽名： 魚蘭 日期：碲 ，7 月d 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。本人授權(quán) 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 文檔，允許論文被查閱和借閱：可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文 ( 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書。) 學(xué)位論文作者簽名：二篷盤占 作者指導(dǎo)教師簽名： 日期：泖湃f f 月眵日 日期：枷年1 1 月j 日 圈防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 第一章引言 1 i 課題研究背景及意義 探地雷達(dá)( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，g p r ) ，有時又稱為表層穿透雷達(dá)( s u r f a c e p e n e t r a t i n gr a d a r ，s p r ) ，或稱之為地表穿透雷達(dá)，是目前最有前途的地下目標(biāo) 探測技術(shù)。探地雷達(dá)是利用電磁波在媒質(zhì)電磁特性不連續(xù)處產(chǎn)生的反射和散射實 現(xiàn)淺表層成像、定位，進(jìn)而定性或者定量地識別地表中的電磁特性變化，從而實 現(xiàn)對表層下目標(biāo)進(jìn)行探測的設(shè)備。簡單地說，探地雷達(dá)的任務(wù)就是描述地下目標(biāo) 的幾何和物理性質(zhì)。相比其他地下目標(biāo)探測技術(shù)而言，探地雷達(dá)具有快速、高空 間分辨率、對目標(biāo)的三維電磁特性敏感等特點。 雖然探地雷達(dá)在探測地下目標(biāo)等方面已經(jīng)獲得了一定的應(yīng)用，但是和探空雷 達(dá)理論系統(tǒng)相比較，探地雷達(dá)理論尚未達(dá)到系統(tǒng)、成熟的階段。這主要是因為相 對于探空雷達(dá)，探地雷達(dá)所面臨的傳播損耗、目標(biāo)特性。工作頻度、雜波特性、 近場條件等問題要更加復(fù)雜。鑒于這些問題，探地雷達(dá)的雷達(dá)方程差異涉及以下 方面：發(fā)射天線的寬頻帶增益、方向圖特性、向地面的耦合特性( 效率、頻率特 性) ，幾何擴散損失、介質(zhì)的指數(shù)衰減、傳播過程中的介質(zhì)或目標(biāo)性質(zhì)、收發(fā)天 線的耦合，接收天線的性能等。 探地雷達(dá)的主要性能指標(biāo)包括：目標(biāo)空間分辨率；探測深度；探淺能力( 近 表層下探測能力) 。對目標(biāo)的空間分辨率包括距離向分辨率和方位向分辨率，距 離向分辨率取決于系統(tǒng)帶寬，方位向分辨率取決于中心頻率。對于無載波沖激體 制探地雷達(dá)而言，其雙極性脈沖的帶寬要求在5 個倍頻以上，否則天線的反射將 引起明顯的波形振鈴現(xiàn)象，給目標(biāo)檢測、信號處理帶來嚴(yán)重困難，從而降低距離 向分辨率。雷達(dá)探測能力與電波對地穿透能力有關(guān)，電波在地下傳播衰減的分貝 數(shù)與頻率距離積成正比，因此要求探測深度越深，信號的中心頻率就應(yīng)越低。 天線作為雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要完成電磁波的有效輻射和接收。在探地 雷達(dá)系統(tǒng)中，由于探測區(qū)域的復(fù)雜性和探測方式的特殊性，對天線要求也遠(yuǎn)比一 般雷達(dá)系統(tǒng)中的天線要高，高性能的天線是實現(xiàn)對地探測、提升測量性能的關(guān)鍵 部件之一。由于工作體制的不同和工作區(qū)域的不同，探地雷達(dá)天線要求具有寬帶 特性、微波低頻段特性、輻射波形的保真特性、天線方向特性和輻射有效區(qū)域、 收發(fā)天線隔離度等一些基本特性【j j 。 本文結(jié)合探地雷達(dá)項目需要，用時域有限差分方法分別分析設(shè)計了用于車載 g p r 的阿基米德螺旋天線以及用于機載g p r 的h 形縫隙天線，并胃實際制作了相 關(guān)天線，實測結(jié)果表明，天線輻射性能良好，達(dá)到了項目的設(shè)計指標(biāo)，滿足了探 第1 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究中院碩士學(xué)位論文 地雷達(dá)項目對天線的需求。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 121 探地雷達(dá)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 0 世紀(jì)7 0 年代以來，隨著高速脈沖形成技術(shù)、取樣接收技術(shù)及計算機技術(shù)的 發(fā)展應(yīng)用，探地雷達(dá)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，地下淺層目標(biāo)探測得以實現(xiàn)。不同 應(yīng)用場合對雷達(dá)系統(tǒng)的性能有不同的要求，從信號形式上區(qū)分，探地雷達(dá)系統(tǒng)分 沖擊脈沖、線性調(diào)頻、步進(jìn)變頻和噪聲信號這四種體制。探地雷達(dá)的運行平臺可 分為機載( 如圖1l ( a ) 中的瑞典c a r a b a ss a r ) 、地表車載與手持、地下鑿洞及 多洞間探測。 目前，國際上有多家公司提供面向不同應(yīng)用的探地雷達(dá)產(chǎn)品和服務(wù)，主要從 事探地雷達(dá)研究的公司及產(chǎn)品有：美國地球物理測量系統(tǒng)公司( g s s i ) s i r 系列；美 國c g c 公司的c o m p u r a d a r 系列：加拿大s s i 公司的p u l s e e k k o 系列 瑞典s g a b 公司的r a m a c 系列；日本o y o 公司的g e o r a d a r 系列及俄羅斯的l s 3 ， r a s c k n - 2 2 和s p p 等。圖l1 ( b ) 為美國陸軍試驗場中的探地合成孔徑雷達(dá)( g r o u n d p e n e t r a t i n gs y n t h e t i ca p e r m r er a d a r ，簡稱g p s a r ) 試驗車”。 t 磷齲黼i 蒜1 瑟；霎囂黝翟瑟鋈? 麓。知。母艚蛾捕怨蕊蕘黧藿辮鬻 警蘸疊麟? 攀饕簿搴 ( a ) c a r a b a ss a r( b ) 關(guān)幽陸軍試驗場中的g p s a r 圖l _ 1 機載和車載探地雷達(dá) 國內(nèi)對探地雷達(dá)的研究起步較晚，近年來存該領(lǐng)域內(nèi)也取得了一定的技術(shù)進(jìn) 步，不少研究單位也推出了自己的探地雷達(dá)樣機。如中國電波傳播研究所研制的 l t d 一3 探地雷達(dá)；煤炭科學(xué)總院重慶分院開發(fā)的k d l 3 、4 型礦井防爆探地雷達(dá)及 北京艾迪爾公司的c b s 一9 0 0 和c r - 2 0 0 0 探地雷達(dá)。國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程 學(xué)院在國家“8 6 3 ”項目的支持下開發(fā)了r a d a r e y e 探地雷達(dá)系統(tǒng)。從總體上來說， 國內(nèi)關(guān)于探地雷達(dá)技術(shù)的研究與國外的差距較大。國內(nèi)產(chǎn)品在分辨率、使用方便 性、對雷達(dá)信號成像和圖像解譯技術(shù)等方面與國外產(chǎn)品存在差距。 122 探地雷達(dá)天線的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀” 第2 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 探地雷達(dá)天線作為探地雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵性部件之一，其性能將直接影響整個 雷達(dá)系統(tǒng)的揉測分辨率、定位精度及霉標(biāo)識別水半。針對不同應(yīng)用，設(shè)計具有高 方向性、寬頻帶、高發(fā)射率、體積輕便的天線成為探地雷達(dá)系統(tǒng)研制的個十分 重要的課題。 囂前在各種體制下的探地雷達(dá)中使用豹天線多種多樣，每種天線都有自己的 優(yōu)點和不足，任何一種類型的天線都不可能滿足探地雷達(dá)系統(tǒng)的所有要求。目前 常見的探地雷達(dá)天線主要有以下幾種形式： 圓柱行波天線1 4 j 。該天線通過電阻加載可以具有良好的輻射波形，通常工 作于頻率1 0 0 m h z 以下，主要用于深墨地下基標(biāo)的檢測和識別等。 碟形天線及其變形p 。引。該天線具有體積小、重量輕的優(yōu)點。碟形天線具 有多種形式，是雙向輻射的天線，使用時需要進(jìn)行屏蔽，生要用于地下目標(biāo)的檢 測及成像等。 v 型振子瓣6 l 。該天線通過適當(dāng)?shù)碾娮杓虞d可具有裁好的寬帶特性，主要 用于較高頻率的探地雷達(dá)系統(tǒng)，且具有較好的方向性，主要用于地下目標(biāo)的檢測 和識別等。 t e m 喇及其變形【 啦】。該天線具有較好的時域響應(yīng)特性，僵其輻射波形 存在較大的拖尾振蕩，并且地面對天線的影響較大。文獻(xiàn) 2 0 2 1 給出了種能夠 減小地面對天線影響，并實現(xiàn)與空氣和土壤阻抗匹配的介質(zhì)加載的變形形式。 螺旋天線和對數(shù)周期天線f 2 3 粕】。螺旋天線和對數(shù)周期天線具有很寬的工作 頻帶，但是這兩種天線的時域響疲特性較差，在脈沖信號的激勵下的輻射波形存 在較多的振蕩。因此這兩種天線不適合脈沖體制的探地雷達(dá)系統(tǒng)，他們般用于 連續(xù)波頻率步進(jìn)體制下的探地雷達(dá)系統(tǒng)。 介質(zhì)天線 2 9 3 0 。該天線的輻射波形與h e r t z i a n 偶裰予天線的輻射波形相似， 與地面匹配較好，比較適合淺層精確探測需要，適用于高頻。它的缺點是饋電系 統(tǒng)比較復(fù)雜。 根據(jù)使用方式的不廚，探地雷達(dá)天線可以分為空氣耦合天線和地面耦合天線。 空氣耦合天線是將電磁波輻射到空氣中，在接收信號中檢測地面以及地下層狀星 標(biāo)的反射信號，常用在機載探地雷達(dá)和車載探地雷達(dá)等遠(yuǎn)場探測的情況下。地面 耦合天線一般位于近地表面進(jìn)行貼地探測，它是將能量直接耦合到地下，通過檢 測接收信號判斷地下囂標(biāo)的存在。上述各季孛天線形式均可以震終地面藕合天線， 而空氣耦合天線常用t e m 喇叭及英變形或者螺旋天線和對數(shù)周期天線。 根據(jù)用戶的需簧，本文為車載合成孔徑探地雷達(dá)( g r o u n d p e n e t r a t i n gs y n t h e t i c a p e r t u r er a d a r ，簡稱g p s a r ) 研究設(shè)計了阿基米德螺旋天線【3 1 3 2 1 。選擇螺旋天線 是因為它具有優(yōu)良的寬帶輻射特性，結(jié)構(gòu)緊湊，且易于在常覓的低成本原材料上 第3 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 加工制作。本文設(shè)計的g p s a r 天線采用的是阿基米德螺旋天線形式，該天線能夠 提供超過5 ：l 的頻率帶寬，從而能夠有效地提高雷達(dá)距離向分辨率。為滿足對探 測深度的需求，并考慮到天線的尺寸限制，設(shè)計的天線最低工作頻率達(dá)到5 0 0 m h z ； 同時饋電網(wǎng)絡(luò)限制了天線的最高工作頻率為3 g h z 。 雖然線極化的對數(shù)周期天線( l o g p e r i o d i ca n t e n n a ) 也可以提供類似的寬帶和 低頻的輻射特性，但是一方面線極化天線反射波的大小取決于天線與被探測物體 之間相對方位角，另一方面線極化天線收發(fā)天線同極化，因而互耦比較大；而圓 極化天線收發(fā)天線之間的極化分左旋和右旋，從而減小了直耦。此外，對數(shù)周期 天線體積較大，相對而言不便于在車輛或者飛機上安裝。 對數(shù)螺旋天線同樣能夠產(chǎn)生與阿基米德螺旋天線類似的超寬帶輻射特性，這 兩種天線的形式相似。然而p e t e rr l a c k o 等人對阿基米德螺旋天線和對數(shù)螺旋天 線用于探地雷達(dá)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了對比研究 2 3 1 ，研究數(shù)據(jù)表明，同樣條件下，相 對于對數(shù)螺旋天線，阿基米德螺旋天線能夠與5 0 歐姆的傳輸線提供更好的匹配， 具有更好的時域脈沖響應(yīng)，在前2 0 納秒時間窗中對接收機雜散響應(yīng)處理具有更好 的自由度。 隨著機載探地雷達(dá)試驗研究項目的確定，本文根據(jù)用戶需要，進(jìn)一步為機載 探地雷達(dá)設(shè)計了h 型天線。該天線具有剖面低、重量輕、增益高等優(yōu)點，在項目 要求的工作頻帶內(nèi)工作性能良好。 1 3 1 本文的主要工作 1 3 本文的主要工作 本文作為探地雷達(dá)項目工作的一部分，主要研究內(nèi)容是： 為車載g p s a r 設(shè)計了一個超寬帶的阿基米德螺旋天線，并且設(shè)計了寬帶巴 倫，同時對腔體內(nèi)吸波材料的設(shè)置進(jìn)行了分析。實際制作了該天線，對天線的性 能進(jìn)行了測量，結(jié)果表明天線性能達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。將天線接入g p s a r 系統(tǒng)進(jìn)行 了測試，實驗效果表明，該天線具有良好的探地性能，滿足了探地雷達(dá)的設(shè)計要 求。 為機載探地雷達(dá)設(shè)計了h 形天線以及饋電巴倫，分析了該天線的工作原理， 并進(jìn)行了仿真分析；實際制作了該天線，并且對天線的性能進(jìn)行了測量，測量結(jié) 果表明天線達(dá)到了設(shè)計要求。 1 3 2 本文的章節(jié)安排 本文的內(nèi)容在章節(jié)上作如下安排： 第4 頁 圖防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 第章簡單介紹了課題的研究背景及意義，并介紹了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 第二章對探地雷達(dá)天線的分析方法( 時域有限差分法，f i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i n ，簡稱f d t d ) 進(jìn)行了介紹，并，目建立了基于f d t d 法的天線計算模型。 第三章對阿基米德螺旋天線的參數(shù)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上完成天線參數(shù)的 確定。根據(jù)反射腔內(nèi)吸波材料的鋪設(shè)的實驗分析，設(shè)計了一種體結(jié)構(gòu)的吸波材料 設(shè)置。介紹了該天線在車載g p s a r 中的應(yīng)用。 第四章介紹了h 形天線的工作原理，分析了天線各個參數(shù)對天線輻射性能的 影響，并根據(jù)需要確定了天線的參數(shù)。最后對實際制作的天線的性能進(jìn)行了測量。 最后對所做的工作進(jìn)行了總結(jié)，展望下一步將要進(jìn)行的工作。 第5 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 第二章基于f d t d 的天線計算模型 天線作為電磁波的輻射器和接收器，遵循電磁場的一般規(guī)律。描述電磁場的 基本方程是麥克斯韋方程。天線問題的求解可以歸結(jié)為特定邊界條件下對麥克斯 韋方程的求解，一般有時域方法和頻域方法。通過傅立葉變換，時域和頻域是相 通的。對于研究時域探地雷達(dá)天線，用時域的分析方法更為方便。本章首先對本 文中分析探地雷達(dá)天線所采用的時域分析方法時域有限差分方法進(jìn)行介紹，之 后基于f d t d 方法建立了天線計算模型。 2 1 時域有限差分方法的基本概念 時域有限差分法【3 ”】是美國學(xué)者k s y e e 于1 9 6 6 年提出來的，它將時域麥克 斯韋方程中的兩個旋度方程用二階精度的中心差分近似，從而把微分方程轉(zhuǎn)化為 差分方程。f d t d 法的求解過程如下：首先將場所在的空間對電磁場的各分量按一 定的規(guī)則離散，設(shè)在t 1，lj、lri，、lrj、，lr、lrj、lr， 困防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 g 一”圭) 叫鬈( “舢圭) + 髟( _ ，) 采用指數(shù)差分格式，系數(shù)為： ( ，+ 吉) 一 矽( ，+ 三) = 1 e x p 小+ 妒 歷( ，+ 妒 a ( 2 7 0 ) ( 扛z ，少，z )( 2 7 1 ) 屏( ，+ 三) 。，：x ，y ，z ， 。2 7 2 ， 刪一p 一半 剛憶h x p 一華) 耳( 壚專訂j ( i = 石，y ，z ) ( 2 7 3 ) ( i = x ，y ，z ) ( 2 7 4 ) 三維情況應(yīng)用p m l 吸收邊界吸收效果很好，但是層內(nèi)各節(jié)點需要進(jìn)行迭代， 交叉區(qū)域的處理復(fù)雜，對計算時間和內(nèi)存都提出了較高的要求，對計算機內(nèi)存要 求較大。 2 3 天線時域近遠(yuǎn)場變換方法 由于f d t d 方法只能計算空間有限區(qū)域的電磁場，要獲得天線在計算區(qū)域以外 的輻射場就必須進(jìn)行近遠(yuǎn)場變換【4 。時域近遠(yuǎn)場變換原理與頻域相同，也是從 等效原理出發(fā)，由包圍散射體封閉面上的切向電流和切向磁流求得遠(yuǎn)場，但也有 不同之處：時域計算中，源點到場點的路程差體現(xiàn)在時間的超前或滯后上時域 近遠(yuǎn)場變換得到的是遠(yuǎn)場的時間波形；在f d t d 迭代過程中，它不像頻域場變換那 樣一次迭代即可完成遠(yuǎn)近場變換，它每一個時間步都需進(jìn)行一次近遠(yuǎn)場變換計算。 因此選擇合理的時域近場遠(yuǎn)場變換方式，是節(jié)約計算機硬件資源的關(guān)鍵。為了節(jié) 第1 6 頁 約計算機資源，我們進(jìn)行時域近場遠(yuǎn)場實時轉(zhuǎn)換。下面詳細(xì)介紹該方法。 等效面切向電流和切向磁流根據(jù)輸出邊界上的切向電場和切向磁場來確定。 在f d t d 迭代公式中，切向電場雖與等效面在同一平面，但并小在網(wǎng)格中間，而在 網(wǎng)格分界線上，因此，將網(wǎng)格中心的切向電場通過相鄰位置的兩切向電場的平均 值求得，切向磁場是通過與網(wǎng)格中心相鄰的四個切向磁場的平均值求得。 時域輻射電場的公式如下： 島( ，) = ( 妄4 ( r + 去未( ，) ( 2 7 5 ) 易( ， f ) = 風(fēng)( 妄厶( ) 一瓦1a a ，f ，、, 州) ) ( 2 7 6 ) = 一孑 ( 2 7 7 ) 以= 孑 ( 2 7 8 ) 式中編為自由空間波阻抗，a ( r ，t ) 和f ( r ，t ) 為自由空間時域輻射場區(qū)的磁矢 位和電矢位，其表達(dá)式如下： 彳( ， f ) 2 石1 f f 山( 。) 凼 ( 2 7 9 ) ，( ， f ) 2 石1 f 虬( t r ) d s ( 2 8 0 ) 式中t ，為延遲后的時間，其表達(dá)式為 ，：一型：一r-xsinocoso-ysinosin緲-zcos0(281)t tt21 = 一一= 一 1 式中c 為光速，為觀察點到原點的距離，尹為觀察點位置單位矢量，7 為輸 出邊界上源點( z ，y ，z ) 的位置矢量，如圖2 4 所示。 圖2 4 時域近場遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換中的時間延遲 第1 7 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 根據(jù)上述公式，假設(shè)計算模型中輸出邊界面共有l(wèi) 個離散小面元，我們可以求 其對遠(yuǎn)區(qū)場的貢獻(xiàn)如下： 訃力= 警撲礎(chǔ)咖妒等s 觚s 妒等一等等s i n 9 9 a e o , a ， ( 2 8 2 ) 島歸警喜( c o s 矽等刪n 妒豎3 t + c o s o r s i n f a 可3 e l i 一型等l ( 2 8 3 ) 假設(shè)在f d t d 的計算程序中，先迭代磁場，再迭代電場，在同一個時闖步循 環(huán)內(nèi)，如果磁場的時間步是，z + 1 2 ，電場的時間步是n + l ，也就是說電場比磁場落 后半個時間步。在輸出邊界面( 等效面) 上計算任意一個單元網(wǎng)格( f ，j ，k ) 對時域遠(yuǎn) 場的貢獻(xiàn)，由于磁場先迭代，首先計算等效面上切向電流( 鼯切向磁場) 對遠(yuǎn)場的 作用，磁場對時間的導(dǎo)數(shù)如下： 割_ 棚緹。= 古( 礦( i + l 2 , j + l 2 , k m 叫2 ( i + 1 1 2 , j + l 2 , k ) ) ( 2 8 4 ) 堡o t i + l # 2 , j + 1 1 2 , k = 三a t 、y ，2 ( i + 1 1 2 , j + 1 1 2 , k ) 一礦2 ( i + l 2 , j + l 2 , k ) ) ( 2 8 5 ) 在式( 2 8 4 ) 和( 2 8 5 ) 中，掣叫心和2 是致、丑，的前一步計算值，已經(jīng)儲存， 而露：鐫鯰和日r 2 是當(dāng)前計算值。因此，對這兩式的處理不需要增加額外的儲存量。 而對于式( 2 8 1 ) ，由于f d t d 計算中時間是離散的，所以，必須換算成滯后的時間 步，即 魏如| 哆2 r 一筍。r 7r i 紐s i n g c o s 爹一，y s i n o s i n 夠一k a z c 0 s 0 一=_-d_-。_-_-h-_-。-_-_。-。_h_-_-_-_-_-_-_-_一 c a tc a t ( 2 8 6 ) 囪式( 2 8 2 ) 矛i ：i k ( 2 8 3 ) 得芏u 橢蹦邊界回上早兀格( j ，j ，意) 日習(xí)剴i 司電流珂迥區(qū)場陰 貢獻(xiàn)為： 蹦= 警鼬俄帥飄hn 緹川。妣唧飄編川協(xié)詹卜7 ， 蹦= 警洳爹飄琊州，豳乳獅# 】疊渤 一般來講，從輸出交界面上的源點( z ，y ，z ) 到觀察點的時間步延遲”+ 朋蜘不是 囊壘豹蘸由卜兩式計笸酌揚分量鬟霉分配剝罄粒時聞考的位鬻。舍： 第1 8 頁 一力= i n t ( 療+ ) ( 2 8 9 ) 則： e ，。i ，n n - - - ( r t ，2 + 1 一門一) 島r + 易r ( 2 9 0 ) 易r “= ( 甩+ ，一刀刀) 易r + 島r + 1 ( 2 9 1 ) 式中等號右端的易l ，和e 葉l l 腫分別為，方向上第玎”時間步和第n n + l 時間步 己經(jīng)存在的數(shù)值。對于乜有完全類似的表達(dá)式。 在f d t d 程序中，等效面上切向電流( 即切向磁場) 對遠(yuǎn)場的貢獻(xiàn)計算完畢后， 開始進(jìn)行電場迭代，之后計算輸出邊界面上切向磁流( 即切向電場) 對遠(yuǎn)場的貢獻(xiàn)。 電場對時間的導(dǎo)數(shù)如下： 魯- - l r e + l ：2 小拋。= 古( f 川2 ( i + l 2 , j + 1 1 2 , k ) 一f 刈2 ( i + 1 1 2 , j + 1 1 2 , k ) ) ( 2 m ) 刮二縱= 扣，2 ( i + l 2 , j + 1 1 2 , k h ，2 ( i + 1 1 2 , j + l 2 , k ) ) ( 2 9 3 ) 輸出邊界面上切向磁流到達(dá)遠(yuǎn)場觀察點時滯后的時間步用式( 2 8 6 ) 計算。由式 ( 2 8 2 ) 和式( 2 8 3 ) 得到輸出邊界面上單元格( f ，k ) 的切向磁流對遠(yuǎn)區(qū)場的貢獻(xiàn)為： 蹦+ l ，2 = 一等喜( c o s 緲魯e _ 甜州n 矽魯i 川讎) c 2 陰， 蹦+ l ，2 = 鍺喜( c o s 錙叩魯l 三+ | ，甜s 鈾s 妒等- eif+re+拋l2一，。(295， 同樣撐+ 1 2 + 紇加不是整數(shù)，而由上兩式計算的場分量需要分配到整數(shù)時間步 的位置，令： n n = i n t ( 阼+ l 2 + ) ( 2 9 6 ) 則： 局l ，= ( 以刀+ 1 2 - 刀一) 易c + + 坨+ g 。k n ” ( 2 9 7 ) e 叫1 州= ( 廳+ 協(xié)+ 1 2 - 療力) g 哳n + + 陀+ e n n + 1 ( 2 9 8 ) 同式( 2 9 0 ) 和式( 2 9 1 ) - - t - 4 ，式中等號右端的e 1 1 7 1 和易i ：，+ 1 分別為，方向上第，z 玎 f # i i g j # # $ f j 第n n + 1 時間步己經(jīng)存存的數(shù)值。對于乞有完全類似的表達(dá)式。 在實際的程序中，對于每個時間步循環(huán)，計算一次等效面上所有單元網(wǎng)格 切向電流和切向磁流對遠(yuǎn)場的貢獻(xiàn)。由于等效面各單元網(wǎng)格與所要計算的遠(yuǎn)場點 第1 9 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 之間的距離是不一樣的，這樣等效面各單元惻格到遠(yuǎn)場點之間時間延遲也不一樣。 因此，在同一個時間步內(nèi)，等效面上切向電流和切向磁流對一段時間步內(nèi)的遠(yuǎn)場 有貢獻(xiàn)，這段時間步的長度就是等效面上到達(dá)遠(yuǎn)場點最大延遲時間和最小延遲時 間之差，作為遠(yuǎn)場時間長度上的儲存比這個時間步差略微長一點就可以滿足要求。 在f d t d 程序全部執(zhí)行完畢，遠(yuǎn)場的時域波形也計算完畢。 2 4 天線參數(shù)提取 完成天線近遠(yuǎn)場計算之后，就需要利用得到的電場和磁場去求天線的相關(guān)參 數(shù)，也就是程序的后處理。本節(jié)首先介紹天線的相關(guān)參數(shù)，然后給出求解相關(guān)參 數(shù)的方法。 2 4 1 天線的相關(guān)參數(shù) ( 1 ) 輻射方向圖 天線輻射電磁波是有方向性的，它表示天線向一定方向輻射或者接收電磁波 的集中程度。以天線為中心、某一距離為半徑作球面，按照球面上各點電場強度 與該點所在方向角而畫出的對應(yīng)圖形，就是天線的方向圖。它顯示出天線的在不 同方向輻射的相對大小。方向圖包含有許多波瓣，其中包含最大輻射方向的波瓣 稱為主瓣。其它依次稱為第- - n 瓣，第- n 瓣等。我們通常用垂直平面和水平平 面上表示不同方向輻射( 或接收) 電磁波功率大小的曲線來表示天線的方向性。同時 用半功率點之間的夾角表示了天線方向圖中的水平波束寬度及垂直波束寬度。 ( 2 ) 輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連 接最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻月等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有 功率反射。實際上只能做到天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩，天線的匹配 工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性 阻抗。因此我們關(guān)心天線的輸入阻抗以及傳輸線的特性阻抗等參數(shù)。匹配的優(yōu)劣 一般用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和反射損耗，四個參數(shù)之 間有固定的數(shù)值關(guān)系，關(guān)系式為： i v , - 等2 籌 億蚋 l p 2 i r l = 一2 0 1 0 9 l f ，i ( 2 1 0 0 ) ( 2 1 0 1 ) 第2 0 頁 圍防科學(xué)技術(shù)火學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 其中p 為駐波比( v s w r ) ，k 為行波系數(shù)，雎為反射損耗，r ，為反射系數(shù)。 在天線輸入端l = s 且有關(guān)系式： s - 吒= 精 ( 2 1 0 2 ) z 加為輸入阻抗，z 。為特性阻抗。通常使用哪一個參數(shù)多是根據(jù)習(xí)慣。通常用 的較多的是駐波比和反射損耗。 2 4 2 天線參數(shù)的提取 本文第2 2 節(jié)中己經(jīng)介紹了時域近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換方法，通過對一次f d t d 計算得到 的天線遠(yuǎn)區(qū)場的時域數(shù)值，再對其進(jìn)行傅立葉變換( f f t ) ，就可以得到所關(guān)心頻 段內(nèi)任一頻率點的方向圖。 對于平面天線，如圖2 3 所示，在帶狀線兩基板之間加高斯脈沖e ，激勵，通 過f d t d 迭代，在一定時間步之后獲取反射信號，通過傅立葉變換將時域信號轉(zhuǎn)換 到頻域，并通過與頻域的入射信。g - 之比得到天線輸入端的s ，即反射系數(shù)，并根 據(jù)參數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系方程( 2 9 9 ) 、( 2 1 0 0 ) 、( 2 1 0 1 ) 、( 2 1 0 2 ) 求得天線 的輸入阻抗、輸入電壓駐波比等參數(shù)。 2 5 計算模型驗證 前文已經(jīng)介紹了天線近遠(yuǎn)場計算方法和天線參數(shù)的提取方法。程序的流程圖 如圖2 5 所示。為了驗證程序的正確性，用同樣的f d t d 法對簡單單極子天線的參 數(shù)進(jìn)行了計算，計算中取天線的長度為1 2 5 m ，天線半徑為o 0 0 9 1 5 5 m 。 圖2 5f d t d 程序的流程圖 第2 l 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 天線的輸入阻抗結(jié)果如圖2 6 所示。左圖為電抗曲線，右圖為電阻曲線。計算 得到的阻抗特性與理想單極天線的阻抗特性符合較好，從圖中可以看出在電長度 約為o 2 5 時，該天線的電抗值趨于0 ，此時的電阻也比較小，月在電長度為o 2 5 附近電阻變化較小；在電長度約為o 5 時，電抗值趨于o ，而此時的電阻為最大值， 此處曲線變化較陡。 圖2 6 簡單單極子天線的阻抗特性 天線在糾無= 0 5 時的輻射方向圖如2 7 所示。左圖為e 面歸一化方向圖，右 圖為h 面歸一化方向圖，從圖中可以看出，計算得到的天線方向圖與理想單極子 天線的輻射方向圖符合較好。 1 9 09 0 2 7 02 7 0 圖2 7 簡單單極子天線的輻射方向圖 本章介紹了基于f d t d 的天線計算模型，從上述兩個算例可以看出，本文建 立的計算模型是有效的，可以用來對探地雷達(dá)天線的性能進(jìn)行仿真計算。 第2 2 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 第三章阿基米德螺旋天線的分析及其在探地雷達(dá)中的應(yīng)用 在上一章中介紹了基于f d t d 法的天線計算模型并日對程序進(jìn)行了驗證。 本章中將對阿基米德螺旋天線進(jìn)行仿真分析，研究天線的阻抗特性，給出仿真方 向圖，完成天線的設(shè)計。在天線的實際制作過程中，研究了腔體吸波材料的鋪設(shè) 方式對天線輻射性能的影響。此外，還介紹了天線在探地雷達(dá)中的應(yīng)用。 3 1 平面阿基米德螺旋天線及巴倫的概念 311 平面阿基米德螺旋天線的概念 平面阿基米德螺旋天線1 3 t - 3 2 可以用制作p c b 電路的方式制作在平面介質(zhì)板材 上。它是由兩條阿基米德螺旋線構(gòu)成的天線。阿基米德螺旋線的方程為： ，= r o + d 忉一釓j( 3 1 ) 式中的r 為曲線上任意一點到極坐標(biāo)原點的距離，妒為方位角為起始角，r o 為 螺旋線起始點到原點的距離，口為螺旋增長率。在式( 31 ) 中分別取吼；0 和吼= 石， 即可得到兩條對稱的阿基米德螺旋線，結(jié)構(gòu)如圖3l 所示。阿基米德螺旋天線通常 用印刷技術(shù)印制在介質(zhì)基板上，并使金屬螺旋線的寬度等于兩條螺旋線問的間隔 寬度，以形成自互補天線。阿基米德平面螺旋天線不是一個嚴(yán)格意義上的非頻變 天線，因為它的幾何結(jié)構(gòu)并不滿足自相似條件。但只要參數(shù)n 和口及天線的總長度 取得適當(dāng)，并在其末端接吸收電阻或吸波材料，則可使這種天線具有很寬的工作 帶寬。 ，寸，一，7 ； 圖3 l 平面阿基米德螺旋天線 阿基米德螺旋天線的工作原理可以用有效輻射區(qū)的概念來描述。有效輻射區(qū) 是指天線的某螺旋區(qū)間，遠(yuǎn)區(qū)輻射場主要取決于這部分的電流。有敬輻射區(qū)出 現(xiàn)在螺旋長度大約為一個波長附近的區(qū)域。從饋電端到有效輻射區(qū)的f 界電流以 第2 3 頁 國防科學(xué)技術(shù)火學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 傳輸線模式存在，這部分所產(chǎn)生的場對遠(yuǎn)區(qū)輻射場沒有太大的影響，在有效輻射 區(qū)上界的外部螺旋區(qū)域，由于電流很快的衰減( 從饋電點到一個波長大約衰減 2 0 d b ) ，因此失去了輻射能力。所以整個天線在輻射性能上與無限長螺旋線的輻 射性能幾乎是相同的，對于不同的工作頻率，由于波長不同，有效輻射區(qū)位置也 不同。 有效輻射區(qū)的形成原理如圖3 1 所示。螺旋的兩條臂在點a 和b 處進(jìn)行平衡 饋電，相位差為y ，則從a 點沿一條螺旋線繞至p 點的長度，等于從b 點沿另一 條螺旋線繞至q 點的長度，p 、q 兩點同在以坐標(biāo)原點為圓心，半徑為r 的圓周上， 但p 、q 兩點的相位是相反的。當(dāng)相鄰兩點p 、p 的間距a t - 很小時，從p 點沿螺旋 線到a 點的長度，與從p 點沿另一條螺旋線到b 點的長度相差約半個波長，這樣 一來，p 、p 兩點電流的相位差為石+ ( 2 x 兄) 乃r 。如果r = 2 2 1 r ，則兩點間的相 位差為2 1 r ，即p 、p 。兩點的電流同相。由于相鄰兩線上的電流同相，在天線平面 的法向上形成最大輻射。也就是說周長約為一個波長的那些