引 言

探地雷达是通过向地下发射高频电磁波,并根据地下介质电磁参数的差异来判断地下物体分布规律的一种地球物理方法．近几十年来探地雷达发展迅速, 已经应用到诸如考古、矿产资源勘探、灾害地质调查、月球探测、岩土工程调查、工程质量检测和军事探测等多个领域[1]．探地雷达工作区域一般在天线的近区场、且浅地表的探测环境十分复杂,为避免探地雷达所发出的信号经目标体反射后的相互叠加,其时间域的信号宽度一般为几纳秒或者十几纳秒的瞬时脉冲．这对雷达天线提出了很高的要求,它不仅要有良好的辐射特性,同时还要有超宽的频带．探地雷达天线的种类很多,如螺旋天线、领结天线、喇叭天线、Vivaldi天线[2-5]等．

目前探地雷达天线属喇叭天线和领结天线最为常用,喇叭天线是空气耦合天线,方向性较好,但时间域信号拖尾严重[4]．领结天线属全向辐射天线,因此容易受到天线背面电磁波的干扰,噪声与有用信号的相互叠加使得接收到的信号信噪比降低．另一方面传统领结天线的天线臂末端阻抗差较大,电流在天线臂末端产生反射,恶化了天线端口的输入阻抗的匹配情况,从而降低了天线的带宽．提高领结天线性能的方法有很多,如改变天线臂形状的加载方式,可重新调解天线臂中电流的分布情况,降低天线末端的反射[6];以降低天线辐射效率为代价在天线臂末端集总式加载电阻或在天线臂上分布式加载电阻,可提高天线的带宽并削弱天线时间域信号的拖尾[7-8];在天线背部加载屏蔽结构,可改变领结天线的方向性,削弱天线上方电磁波及辐射波经上方障碍物反射产生的反射波的干扰,加载合适的吸波材料还可以起到增加天线带宽,消除信号拖尾的作用[9-11]．但阻性加载工艺上不容易实现,且降低了信号强度,不利于探测．而已有的屏蔽罩加吸波材料加载的方式,吸波材料选择不够理想．

针对上述问题,本文提出一种新的吸波材料加载方式,首先在屏蔽罩表面贴上一层RAT型吸波材料来降低反射,再在天线与屏蔽罩之间填充SAB型吸波材料削弱在其中传播的电磁波． 提高了领结天线的屏蔽性能,消除了空气中的干扰,同时还增加了天线的带宽,削弱了时间域信号的拖尾,在实际的管线探测中使直达波与近地面目标体的反射波有效分离,提高了接收信号的信噪比和探测精度．

1 天线的模拟

1.1 领结天线的模拟

领结天线的天线臂种类很多,如扇形、水滴形、三角形等．本文采用应用最为广泛的三角形领结天线．三角形领结天线的臂长决定天线的中心频率,天线臂越长中心频率越低．根据后文实际探测时目标体的埋藏深度和尺寸,本文选择中心频率在500 MHz左右的天线进行模拟和实验,同时考虑到加载吸波材料会使天线的中心频率有所下降,所以在模拟时将天线的中心频率设定为600 MHz,根据模拟结果可得出天线单臂长为7 cm．三角形领结天线的带宽受天线臂张角的影响,在一定范围内张角越大,带宽越宽．为了让天线便于携带,综合考虑选择张角为60°的领结天线,如图1所示．

图1 500 MHz领结天线 Fig.1 500 MHz bow tie antenna model

选择FR4材料作为天线的基底板,厚度为2 mm,在基底板上设置两个对称分布的等腰三角形铜片作为天线的两个臂,两天线臂馈电点处的间隔为2 mm．通过HFSS软件模拟天线的回波损耗,结果如图2所示．天线的中心频率为600 MHz,-10 dB以下带宽为80 MHz,但最低回波损耗不超过-14 dB,天线的频率域特性并不理想．

图2 领结天线的回波损耗 Fig.2 Return loss of bow tie antenna

1.2 屏蔽领结天线的模拟

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图3 屏蔽天线模型 Fig.3 Shielded antenna model

图8(b)的结果中,0°时直达波的振幅最强,45°之后有所减弱,90°之后直达波信号基本被屏蔽．从实验结果可以看出:屏蔽天线能够很好地接收到来自前方及斜前方的信号,可以有效地探测位于地下的目标体;对来自天线背部反射波和空气中电磁波的干扰起到了有效的屏蔽作用;对来自天线侧面的信号有一定的削弱作用,但并不能完全屏蔽掉,因此可以从一定程度上削弱直达波信号．

采用安捷伦网络分析仪对正常领结天线和加屏蔽罩的领结天线分别进行测量,天线的频率域实测信号如图6所示．其中正常天线的中心频率为650 MHz,-10 dB以下带宽约为110 MHz,中心频率处天线的回波损耗达到-26 dB．在天线背面加上吸波材料和屏蔽罩之后,天线的中心频率有所降低,约为490 MHz,-10 dB以下带宽明显增加,带宽超过200 MHz,且中心频率处天线的回波损耗也有所降低．故,吸波材料屏蔽罩可以有效地提高天线频率域的特性．

由于领结天线的辐射方向图是全空间辐射,因此在天线背部加上金属屏蔽罩可以减少来自空气中的干扰．图3所示是天线加上长方体金属屏蔽罩后的模型．

(a) 屏蔽天线回波损耗 (a) Return loss

(b) 辐射方向图 (b) Radiation pattern 图4 屏蔽天线的回波损耗和辐射方向图 Fig.4 Return loss and radiation of shielded antenna

2 屏蔽天线的测试

2.1 屏蔽天线时频信号测试

实际探测时,采用common-offset逐点探测的方法,两个天线中心间的偏移距为20 cm,每次移动天线5 cm,共测量101个点,测线长度为5 m．测得结果如图10所示．

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图5 领结天线与屏蔽罩 Fig.5 Bow tie antenna and absorber-coated conducting cavity

由于吸波材料的介电常数较高,加之有一定的磁损耗角和电损耗角,实际上对领结天线形成了一种不接触的加载．图4(a)中天线的中心频率降低至500 MHz,-10 dB以下带宽增加,约100 MHz,天线中心频率的回波损耗也明显降低．图4(b)中加吸波屏蔽罩后,天线背面的辐射降低,天线的指向性得到了很好的改善．

⑨Raimo Tuomela，A Theory of Social Action，D．Reidel Publishing Company，1984，p．1．

图6 实测天线频率域S11 Fig.6 Measured frequency doncain S11 of 2 antennas

屏蔽天线的指向性是其最主要的性能指标,如图8(a),设接收天线正面为0°,侧面90°,背面为180°．发射天线每旋转22.5°,向接收天线发射一次脉冲电磁波,通过对比各个方向接收到的信号来评价天线的方向性．

图7 实测天线时间域信号 Fig.7 Measured time-domain signal of 2 antennas

2.2 屏蔽天线指向性测试

图7所示是正常领结天线与加屏蔽罩和吸波材料天线的时间域信号对比．从图中可以看出,正常领结天线的时间域信号有较严重的拖尾,脉冲总宽度约为6 ns,且波峰较多,不利于信号的采集．在天线背面加上吸波材料和屏蔽罩之后,天线的拖尾得到了较好的抑制,脉冲宽度变小至3 ns左右,天线信号的质量有了明显提高．

(a) 测试示意图 (a) Diagram of antenna directivity test

(b) 测试结果 (b) Results of antenna directivity test 图8 天线指向性测试 Fig.8 Antenna directivity test

图3中领结天线与图1中的相同,长方体屏蔽罩的长和宽与领结天线基底板大小相同,长16.5 cm,宽10.5 cm,铜罩厚度为1 mm．在屏蔽罩高度的选择上,当金属罩内尚未填充吸波材料时,为了使天线的能量尽量向外辐射,其高度应为天线中心频率波长的四分之一,此时金属罩可以起到反射叠加的作用[10]．吸波材料可以吸收天线与屏蔽罩之间的反射波,故加入吸波材料后屏蔽罩的高度只要保证反射波被充分吸收即可．为保证天线屏蔽罩不至于过大,综合模拟结果,天线屏蔽罩的高度设定为50 mm．经计算后天线回波损耗和方向图如图4所示．

2.3 屏蔽天线的应用

利用制作好的两个屏蔽天线探测埋有金属管、PVC管和聚氯乙烯板状异常体的沙槽．沙槽模型如图9所示,PVC管和1号金属管埋深45 cm,2号金属管、3号金属管埋深均为40 cm,金属导线的埋深为20 cm,沙槽底部深1.1 m．同时,沙槽上方1.5 m处布置一个宽25 cm,长度与沙槽宽度相同的铜板,以检测屏蔽天线屏蔽效果．

图9 沙槽模型 Fig.9 Diagram of sand tank for detecting

图5所示是根据第1节模拟结果制作出的领结天线及屏蔽罩．其中,吸波材料的选取首先是在铜罩内表面贴上一层厚度约为3 mm的RAT型橡胶平板形吸波材料以降低信号的反射,再在罩内填充SAB型泡沫平板吸波材料来消耗并吸收在罩内传播的电磁波．

模型主要的作用是处理不同用户的请求，对于动态化的网络系统来说，其是指操作信息库的接口部分，也可将其归纳到功能辅助类别中，帮助控制器更好的工作。模型板块的设计也是重要环节，共包含三部分，即信息库驱动的初始化、信息库的crud实践操作与映射信息表。PHP框架模型层运用的是三层结构模式，为了能够支持不同种类信息库以便进一步实现深入拓展及转移，PHP框架应使用PDO套件，该套件支持主流信息库驱动。

(a) 正常天线 (a) Gram of bow tie antenna

(b) 屏蔽天线 (b) Gram of shielded antenna 图10 天线沙槽测量结果 Fig.10 Radargrams obtained by bow tie antennas and shielded antennas

图10(a)是正常天线的测量结果,图10(b)是屏蔽天线的测量结果．图10(a)中3个金属管、铜板和聚氯乙烯板反射波都很强,双曲线容易识别．直达波不仅振幅强,且拖尾严重,出现多个波峰波谷,完全覆盖了金属导线的反射波双曲线．由于PVC管属于非金属,反射波相对较弱,再加上与直达波拖尾的叠加,使得图10(a)中PVC管的反射波双曲线无法被识别．而图10(b)中,天线的直达波拖尾得到了有效的控制,脉冲的时间域宽度明显变短,使得直达波与金属导线的反射信号有效分离,同时也避免了PVC管的反射信号与直达波的叠加,突出了有用信号．在3号红色区域中可以看到,来自铜板的反射波被完全屏蔽掉,同时图10(b)中的背景噪声与图10(a)相比得到了有效的抑制,证明该屏蔽天线不仅发射的信号质量高,而且还可以有效地屏蔽来自空气中的干扰．

对于给定的简单图G，称EGI(G)={k:G是k-边优美的}为图G的边优美指标集.下面通过具体构造，给出了当n为偶数时图S(7，n)的k-边优美标号，从而确定其边优美指标集.

3 结 论

本文提出了一种可以增加领结天线带宽,降低时域信号拖尾,改善天线指向性的方法．在天线背部加上金属腔,可以有效地改善天线的方向性,屏蔽实际探测时来自天线上部的干扰．在金属腔体内部填充吸波材料,不仅可以吸收天线与金属腔体之间的反射波,同时增加了天线的带宽,-10 dB以下带宽从100 MHz增加至200 MHz．天线时间域信号拖尾现象得到了明显的改善,脉冲宽度由6 ns缩短至3 ns,使得直达波与近地面目标体产生的反射波有效分离,提高了天线的探测精度．相比于现有探地雷达脉冲天线,本文设计的领结屏蔽天线具有频带宽、拖尾小、方向性好、制作成本低等优势．基于本文研究成果,下一步研究计划是在吸波材料屏蔽罩的基础上对天线进行阻性加载,进一步改善天线的性能．

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