沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)：原理、現(xiàn)狀與創(chuàng)新突破一、引言1.1研究背景與意義隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)進程的加速，對地下資源的精準探測和勘探愈發(fā)重要，這不僅關(guān)乎經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)性，也在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、地質(zhì)研究等多個領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。沖擊脈沖探地雷達作為一種極具價值的勘探手段，憑借其快速、高效、無損的特性，被廣泛應(yīng)用于地下工程、地質(zhì)勘探、冶金勘探、考古等諸多領(lǐng)域。在地下工程領(lǐng)域，沖擊脈沖探地雷達可用于檢測地下管道、線纜的鋪設(shè)情況，確保工程施工的安全與順利進行。在地質(zhì)勘探中，它能幫助探測地下地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶皺等，為礦產(chǎn)資源勘探提供重要依據(jù)。考古工作中，探地雷達能夠在不破壞遺址的前提下，探測地下文物的分布情況，助力考古研究。在軍事領(lǐng)域，可用于探測地下隱蔽目標，如地雷、地道等，保障軍事行動的安全。天線作為沖擊脈沖探地雷達的核心部件之一，其特性對雷達性能有著決定性影響。從時域角度來看，天線需具備快速的脈沖響應(yīng)能力，以準確接收和發(fā)射極窄脈沖信號，這要求天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效減少信號的延遲和畸變。從頻域角度出發(fā)，天線必須擁有超寬帶特性，以覆蓋沖擊脈沖探地雷達工作所需的寬頻譜范圍，確保不同頻率成分的信號都能得到有效輻射和接收。同時，天線的輻射方向圖應(yīng)滿足特定的探測需求，例如在地面探測中，通常需要天線具有較強的向下輻射能力，以增強對地下目標的探測效果；而在一些特殊應(yīng)用場景，如對建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測，可能需要天線具有特定的定向輻射特性。此外，天線的增益、極化特性等參數(shù)也會影響雷達的探測性能，合適的增益可以提高信號的傳輸距離和接收靈敏度，極化特性則有助于區(qū)分不同性質(zhì)的目標。深入研究沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)，在理論層面，有助于進一步完善超寬帶天線理論體系，拓展對瞬態(tài)電磁場與天線相互作用機制的理解。通過對天線設(shè)計原理、電磁特性分析方法等方面的研究，能夠為天線技術(shù)的發(fā)展提供堅實的理論支撐，推動相關(guān)學科領(lǐng)域的進步。在實際應(yīng)用中，研發(fā)性能更優(yōu)的天線，可顯著提高沖擊脈沖探地雷達的成像分辨率和探測深度。更高的成像分辨率能夠更清晰地呈現(xiàn)地下目標的細節(jié)特征，有助于準確識別目標的類型、形狀和大??；更大的探測深度則可以拓展探地雷達的應(yīng)用范圍，使其能夠探測更深層次的地下目標，滿足如深層地質(zhì)構(gòu)造研究、深部礦產(chǎn)資源勘探等需求。這將為地下資源探測和勘探提供更強大、更有效的手段和技術(shù)支持，促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國際上，沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)的研究起步較早，諸多科研機構(gòu)和高校在該領(lǐng)域投入了大量研究力量，取得了豐碩成果。美國在超寬帶天線技術(shù)研究方面處于世界領(lǐng)先地位，其科研人員在天線的寬帶特性拓展和脈沖保真度提升方面開展了深入研究。例如，通過對天線結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，采用分形結(jié)構(gòu)、漸變結(jié)構(gòu)等，有效拓展了天線的工作帶寬，使其能夠覆蓋更寬的頻譜范圍，滿足沖擊脈沖探地雷達對超寬帶信號的輻射和接收需求。在脈沖保真度方面，通過優(yōu)化天線的材料和加工工藝，減少了信號在傳輸和輻射過程中的畸變，提高了脈沖信號的質(zhì)量。歐洲的一些國家，如英國、德國等，也在沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)研究方面有著深厚的積累。他們注重對天線輻射特性的研究，通過數(shù)值模擬和實驗測試相結(jié)合的方法，深入探究天線輻射方向圖的形成機制和影響因素，進而優(yōu)化天線的輻射性能。例如，采用智能材料制作天線，通過控制材料的電學性能，實現(xiàn)對天線輻射方向圖的動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同的探測場景和目標需求。在天線小型化方面，采用先進的微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，將天線的尺寸縮小到毫米甚至微米量級，同時保持良好的電磁性能，為沖擊脈沖探地雷達在小型化、便攜式設(shè)備中的應(yīng)用提供了可能。近年來，隨著科技的不斷進步，國際上在沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)研究方面呈現(xiàn)出一些新的趨勢。一方面，多頻段、多功能天線的研究成為熱點，旨在使天線能夠在多個頻段同時工作，實現(xiàn)多種探測功能的集成，提高雷達系統(tǒng)的綜合性能。例如，將沖擊脈沖探地雷達天線與通信天線集成在一起，實現(xiàn)探測和通信功能的一體化，滿足現(xiàn)代智能探測系統(tǒng)的需求。另一方面，與人工智能、機器學習等新興技術(shù)的融合研究也逐漸興起，通過利用人工智能算法對天線的電磁特性進行優(yōu)化設(shè)計，以及對雷達回波數(shù)據(jù)進行智能處理和分析，提高天線的性能和雷達系統(tǒng)的目標識別能力。國內(nèi)對沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)的研究始于上世紀末，雖然起步相對較晚，但發(fā)展迅速。眾多高校和科研院所積極開展相關(guān)研究工作，在理論研究和工程應(yīng)用方面都取得了顯著進展。在理論研究方面，國內(nèi)學者對天線的輻射原理、電磁特性分析方法等進行了深入研究，提出了一些具有創(chuàng)新性的理論和方法。例如，基于時域有限差分法（FDTD）和矩量法（MoM）等數(shù)值計算方法，對天線的瞬態(tài)響應(yīng)和寬帶特性進行精確分析，為天線的設(shè)計提供了堅實的理論基礎(chǔ)。同時，在天線的小型化、輕量化設(shè)計理論方面也取得了重要突破，提出了一些新的設(shè)計理念和方法，為實現(xiàn)天線的小型化和輕量化提供了理論支持。在工程應(yīng)用方面，國內(nèi)已成功研制出多款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的沖擊脈沖探地雷達天線，并在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用。這些天線在性能上不斷提升，逐漸接近國際先進水平。例如，在地下工程檢測中，國產(chǎn)天線能夠準確探測地下管道、線纜等目標的位置和狀態(tài)，為工程施工提供了可靠的技術(shù)支持；在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，能夠有效探測地下地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源分布情況，為資源勘探和開發(fā)提供了重要依據(jù)。同時，國內(nèi)企業(yè)也在不斷加大對沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)的研發(fā)投入，推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高了我國在該領(lǐng)域的國際競爭力。盡管國內(nèi)外在沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)研究方面已取得眾多成果，但仍存在一些亟待解決的問題和研究空白。在天線的寬帶與高增益特性協(xié)同優(yōu)化方面，目前的研究成果還難以實現(xiàn)兩者的完美結(jié)合，如何在拓展天線帶寬的同時保持或提高天線的增益，仍是一個具有挑戰(zhàn)性的研究課題。在復雜環(huán)境下，如強電磁干擾、多徑傳播等，天線的抗干擾性能和目標探測能力有待進一步提高，需要深入研究天線與復雜環(huán)境的相互作用機制，提出有效的抗干擾措施和信號處理方法。此外，針對不同應(yīng)用場景和特殊需求的專用天線設(shè)計研究還相對較少，如何根據(jù)具體應(yīng)用場景的特點和要求，設(shè)計出性能優(yōu)良、針對性強的天線，也是未來研究的重點方向之一。1.3研究方法與創(chuàng)新點在本研究中，綜合運用了多種研究方法，以確保研究的全面性、深入性和科學性。文獻研究法是本研究的重要基礎(chǔ)。通過廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)的學術(shù)期刊論文、會議論文集、專利文獻以及專業(yè)書籍等資料，全面了解沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及已有的研究成果和方法。對這些文獻進行系統(tǒng)梳理和分析，明確當前研究的熱點和難點問題，為本研究的開展提供理論支持和研究思路，避免重復研究，并在前人研究的基礎(chǔ)上尋求創(chuàng)新和突破。數(shù)值模擬方法在本研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。借助專業(yè)的電磁仿真軟件，如CSTMicrowaveStudio、HFSS等，建立沖擊脈沖探地雷達天線的精確模型。通過設(shè)置合理的仿真參數(shù)，模擬天線在不同工作條件下的電磁特性，包括輻射方向圖、增益、輸入阻抗、帶寬等。利用數(shù)值模擬，可以在設(shè)計階段快速評估不同天線結(jié)構(gòu)和參數(shù)對性能的影響，為天線的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，減少實際實驗的次數(shù)和成本，提高研究效率。同時，通過對模擬結(jié)果的深入分析，揭示天線的工作原理和電磁特性的變化規(guī)律，為理論研究提供數(shù)據(jù)支持。實驗分析法是驗證研究成果的重要手段。設(shè)計并搭建了沖擊脈沖探地雷達天線實驗系統(tǒng)，包括信號發(fā)射與接收裝置、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等。制作了多種不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的天線樣機，通過實驗測試獲取天線的實際性能數(shù)據(jù)，如輻射特性、脈沖響應(yīng)等。將實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，驗證模擬模型的準確性和可靠性。同時，通過實驗研究，可以發(fā)現(xiàn)實際應(yīng)用中存在的問題，進一步優(yōu)化天線設(shè)計，提高天線的性能和實用性。本研究在方法和觀點上具有一定的創(chuàng)新之處。在方法上，提出了一種將數(shù)值模擬與實驗分析緊密結(jié)合的迭代優(yōu)化方法。在天線設(shè)計過程中，首先通過數(shù)值模擬對多種天線結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行初步篩選和優(yōu)化，得到一組較為理想的設(shè)計方案。然后根據(jù)這些方案制作天線樣機進行實驗測試，將實驗結(jié)果反饋到數(shù)值模擬中，對模型進行修正和優(yōu)化，再進行下一輪的模擬和實驗。通過這種迭代優(yōu)化的方式，不斷提高天線的性能，使設(shè)計的天線更加符合實際應(yīng)用需求。這種方法充分發(fā)揮了數(shù)值模擬和實驗分析的優(yōu)勢，彌補了單一方法的不足，為沖擊脈沖探地雷達天線的設(shè)計提供了一種新的思路和方法。在觀點上，首次提出了基于多物理場耦合的沖擊脈沖探地雷達天線設(shè)計理念。考慮到天線在實際工作中不僅涉及電磁場，還可能受到溫度場、力學場等多物理場的影響，傳統(tǒng)的天線設(shè)計方法往往只關(guān)注電磁場特性，忽略了其他物理場的作用。本研究通過分析多物理場之間的相互作用機制，將溫度場、力學場等因素納入天線設(shè)計的考慮范圍，建立多物理場耦合的天線設(shè)計模型。通過這種方式設(shè)計的天線，能夠更好地適應(yīng)復雜的工作環(huán)境，提高天線的穩(wěn)定性和可靠性，為沖擊脈沖探地雷達在極端條件下的應(yīng)用提供了新的技術(shù)支持。二、沖擊脈沖探地雷達天線技術(shù)基礎(chǔ)2.1探地雷達工作原理沖擊脈沖探地雷達是一種基于電磁波傳播特性的地球物理探測技術(shù)，其工作原理涉及電磁波的發(fā)射、傳播、反射及接收等一系列過程。在發(fā)射階段，沖擊脈沖探地雷達通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻窄脈沖電磁波。這些脈沖信號具有極短的持續(xù)時間和豐富的頻譜成分，通常脈寬在納秒甚至亞納秒量級，頻譜范圍可從直流延伸至數(shù)吉赫茲。發(fā)射天線的設(shè)計對于電磁波的發(fā)射至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定了電磁波的輻射方向、極化特性和發(fā)射效率等。例如，采用偶極子天線時，其輻射方向圖呈“8”字形，在垂直于天線軸的方向上輻射最強；而采用喇叭天線時，可實現(xiàn)更集中的定向輻射，提高信號在特定方向上的強度。電磁波在地下介質(zhì)中傳播時，其傳播速度、衰減特性和波形會受到地下介質(zhì)的電學性質(zhì)（如介電常數(shù)、電導率）、地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及地形地貌等多種因素的影響。一般來說，電磁波在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，傳播速度與介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導率有關(guān)，可由公式v=\frac{1}{\sqrt{\mu\epsilon}}計算，其中v為電磁波傳播速度，\mu為磁導率，\epsilon為介電常數(shù)。不同地質(zhì)介質(zhì)的介電常數(shù)和電導率差異較大，如干燥土壤的介電常數(shù)約為3-5，而水的介電常數(shù)約為80，這使得電磁波在不同介質(zhì)中的傳播特性截然不同。當電磁波遇到不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。根據(jù)菲涅爾定律，反射系數(shù)和折射系數(shù)與兩種介質(zhì)的電學性質(zhì)以及入射角有關(guān)。反射系數(shù)R可表示為R=\frac{\sqrt{\epsilon_2}-\sqrt{\epsilon_1}}{\sqrt{\epsilon_2}+\sqrt{\epsilon_1}}（垂直極化情況，\epsilon_1、\epsilon_2分別為兩種介質(zhì)的介電常數(shù)），折射系數(shù)則決定了折射波的傳播方向。例如，當電磁波從空氣（介電常數(shù)近似為1）入射到土壤時，由于兩者介電常數(shù)差異較大，會產(chǎn)生明顯的反射，反射信號攜帶了地下介質(zhì)分界面的信息，如界面的位置、形狀和介質(zhì)性質(zhì)等。在接收階段，接收天線負責接收從地下反射回來的電磁波信號。接收天線的性能同樣對雷達系統(tǒng)的探測能力有重要影響，它需要具備良好的接收靈敏度和與發(fā)射天線相匹配的極化特性，以確保能夠有效地接收反射信號。接收到的反射信號通常非常微弱，且夾雜著各種噪聲干擾，如環(huán)境電磁噪聲、地面反射噪聲以及儀器自身的噪聲等。因此，需要對接收信號進行一系列的處理，包括放大、濾波、去噪等操作，以提高信號的信噪比和分辨率。在放大過程中，要避免信號的失真和飽和；濾波可采用帶通濾波等方法，去除信號中的高頻和低頻噪聲成分；去噪則可利用小波變換、自適應(yīng)濾波等技術(shù)，進一步提高信號的質(zhì)量。經(jīng)過處理后的信號，根據(jù)其傳播時間、幅度和相位等信息，通過特定的算法進行分析和解釋，從而推斷出地下目標體的位置、形狀、大小和性質(zhì)等參數(shù)。例如，根據(jù)電磁波的雙程走時t和傳播速度v，可以計算出目標體的深度h=\frac{vt}{2}；通過分析反射信號的幅度變化，可以判斷地下介質(zhì)的性質(zhì)差異和目標體的相對大小；而信號的相位信息則可用于更精確的目標定位和成像。2.2天線在探地雷達中的作用天線作為沖擊脈沖探地雷達的核心部件，在雷達系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，對信號的發(fā)射和接收起著關(guān)鍵作用，其性能優(yōu)劣直接決定了雷達整體性能的高低。在信號發(fā)射環(huán)節(jié)，天線的主要任務(wù)是將發(fā)射機產(chǎn)生的高頻窄脈沖電信號高效地轉(zhuǎn)換為電磁波，并以特定的方式輻射到地下介質(zhì)中。這要求天線具備良好的輻射特性，能夠?qū)⒛芰考性谒璧姆较蛏?，以增強對地下目標的探測能力。天線的輻射方向圖決定了電磁波在空間中的分布情況。對于沖擊脈沖探地雷達，通常希望天線具有較強的向下輻射能力，以確保電磁波能夠有效地穿透地面并深入地下。例如，在一些常見的探地雷達應(yīng)用中，如地下管道探測、地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探等，采用具有定向輻射特性的天線，能夠?qū)⒋蟛糠帜芰考性诖怪毕蛳碌姆较颍岣邔Φ叵履繕说奶綔y效率和精度。若天線的輻射方向圖不理想，能量分散在多個方向，不僅會降低對地下目標的探測靈敏度，還可能引入不必要的干擾信號，影響雷達的探測效果。天線的帶寬特性對于發(fā)射沖擊脈沖信號也至關(guān)重要。沖擊脈沖信號具有極寬的頻譜成分，要求天線能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的性能，以確保脈沖信號的各個頻率分量都能得到有效輻射。如果天線的帶寬不足，會導致脈沖信號的失真，使得發(fā)射出去的電磁波不能準確地攜帶原始信號的信息，從而影響對地下目標的探測和識別。例如，當脈沖信號的高頻分量不能被天線有效輻射時，雷達對地下小尺寸目標的分辨率會降低，可能無法準確探測到地下的細微結(jié)構(gòu)或小型目標。在信號接收方面，天線負責捕捉從地下反射回來的微弱電磁波信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給接收機。接收天線需要具備高靈敏度，以確保能夠檢測到極其微弱的反射信號。這是因為地下目標反射的電磁波在傳播過程中會受到多種因素的衰減，如地下介質(zhì)的吸收、散射等，到達接收天線時信號已經(jīng)非常微弱。高靈敏度的天線能夠提高雷達系統(tǒng)的探測能力，即使對于反射信號較弱的地下目標，也能夠有效地接收并傳遞給后續(xù)處理單元。天線的極化特性在信號接收過程中也起著重要作用。極化是指電磁波電場矢量在空間的取向和變化方式。發(fā)射天線和接收天線的極化方式需要匹配，才能實現(xiàn)最佳的信號傳輸和接收效果。如果兩者極化方式不匹配，會導致接收信號的強度減弱，甚至可能無法接收到信號。例如，當發(fā)射天線發(fā)射水平極化波，而接收天線為垂直極化時，由于極化失配，接收信號的強度會大幅降低，嚴重影響雷達系統(tǒng)對地下目標的探測性能。在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的探測需求和地下介質(zhì)的特性，選擇合適的極化方式和極化匹配方案，對于提高雷達系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。天線的性能對雷達的整體性能有著多方面的影響。天線的增益直接關(guān)系到雷達的探測距離。增益較高的天線能夠?qū)l(fā)射機的能量更有效地集中在特定方向上，使得電磁波在傳播過程中衰減較小，從而可以探測到更遠距離的地下目標。例如，在深部地質(zhì)構(gòu)造探測中，使用高增益天線可以提高雷達對深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)反射信號的接收能力，拓展雷達的探測深度，獲取更豐富的地下信息。天線的帶寬和脈沖保真度影響著雷達的分辨率。寬帶天線能夠更準確地輻射和接收沖擊脈沖信號的寬頻譜成分，減少信號失真，從而提高雷達對地下目標的分辨率，能夠更清晰地分辨出地下目標的形狀、大小和位置等細節(jié)信息。如果天線的帶寬不足或脈沖保真度差，會導致脈沖信號的展寬和畸變，降低雷達的分辨率，使得地下目標的成像模糊，難以準確識別和分析。此外，天線的尺寸、重量和結(jié)構(gòu)復雜度等因素也會對雷達系統(tǒng)的便攜性、安裝和使用產(chǎn)生影響。在一些需要移動作業(yè)或?qū)υO(shè)備體積有嚴格要求的應(yīng)用場景中，如手持便攜式探地雷達，需要設(shè)計尺寸小巧、重量輕便的天線，以方便操作人員攜帶和使用。同時，天線的結(jié)構(gòu)復雜度也會影響其制作成本和可靠性，簡單而可靠的天線結(jié)構(gòu)有助于降低系統(tǒng)成本，提高雷達系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性。2.3天線的基本性能參數(shù)天線的性能參數(shù)是衡量其工作特性和效能的關(guān)鍵指標，對于沖擊脈沖探地雷達的性能有著至關(guān)重要的影響。以下詳細介紹增益、方向性、帶寬、輸入阻抗等關(guān)鍵性能參數(shù)及其對探地雷達的重要性。增益是天線的一個重要性能參數(shù)，它定量地描述了天線將輸入功率集中輻射到特定方向的能力。具體而言，增益是指在相同的輸入功率條件下，天線在某一方向上產(chǎn)生的輻射功率密度與理想的各向同性輻射器（在所有方向上均勻輻射功率的假想天線）在同一方向上產(chǎn)生的輻射功率密度之比。增益通常用分貝（dB）表示，如相對于各向同性輻射器的增益記為dBi，相對于半波偶極子天線的增益記為dBd，半波偶極子天線相對于各向同性輻射器的增益約為2.15dBi，即0dBd=2.15dBi。在沖擊脈沖探地雷達中，較高的增益意味著天線能夠?qū)l(fā)射機的能量更有效地集中在特定方向上，增強對該方向上地下目標的探測能力。例如，在深部地質(zhì)構(gòu)造探測中，高增益天線可以使發(fā)射的電磁波能量更集中地向下傳播，減少能量在其他方向的分散，從而提高對深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)反射信號的接收強度，增大雷達的探測深度，有助于獲取更豐富、更準確的地下深部信息。方向性用于描述天線輻射或接收電磁波的方向特性，它反映了天線在不同方向上輻射或接收能量的分布情況。天線的方向性通常通過輻射方向圖來直觀表示，輻射方向圖是以天線為中心，在固定距離處測量天線輻射場強隨方向變化的圖形。在方向圖中，輻射強度最大的方向稱為主瓣方向，其他輻射強度相對較小的方向稱為旁瓣方向。理想情況下，對于沖擊脈沖探地雷達的天線，希望其方向性具有很強的指向性，即主瓣方向尖銳且能量集中在向下的方向，這樣可以最大限度地將電磁波能量輻射到地下目標區(qū)域，減少能量向其他方向的輻射，從而提高對地下目標的探測靈敏度和抗干擾能力。如果天線的方向性不佳，旁瓣能量過大，會導致接收信號中夾雜大量來自非目標方向的干擾信號，影響對地下目標信號的準確識別和分析，降低雷達系統(tǒng)的探測性能。帶寬是指天線能夠滿足一定性能指標（如增益、駐波比等）的頻率范圍。對于沖擊脈沖探地雷達天線而言，由于沖擊脈沖信號具有極寬的頻譜成分，要求天線具有超寬帶特性，以保證能夠有效地輻射和接收這些寬頻譜信號。天線的帶寬直接影響到雷達系統(tǒng)對不同頻率成分信號的響應(yīng)能力。寬帶天線能夠更準確地輻射和接收沖擊脈沖信號的各個頻率分量，減少信號失真，從而提高雷達的分辨率。例如，在探測地下小尺寸目標或精細地質(zhì)結(jié)構(gòu)時，寬帶天線可以使雷達接收到的反射信號更接近原始發(fā)射信號的特征，通過對這些包含豐富頻率信息的信號進行處理和分析，能夠更清晰地分辨出地下目標的形狀、大小和位置等細節(jié)信息。相反，如果天線帶寬不足，信號中的高頻或低頻成分可能無法被有效輻射或接收，導致脈沖信號的展寬和畸變，降低雷達的分辨率，使得地下目標的成像模糊，難以準確識別和分析。輸入阻抗是天線輸入端的電壓與電流之比，它是衡量天線與傳輸線匹配程度的重要參數(shù)。在探地雷達系統(tǒng)中，天線通過傳輸線與發(fā)射機和接收機相連，為了實現(xiàn)高效的能量傳輸，要求天線的輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗相匹配。當兩者阻抗匹配時，傳輸線上的信號能夠最大限度地傳輸?shù)教炀€，而不會在連接處產(chǎn)生反射，從而提高能量傳輸效率，減少信號損耗。如果天線輸入阻抗與傳輸線特性阻抗不匹配，會導致部分信號在連接處反射回傳輸線，形成駐波，這不僅會降低天線的輻射效率，還可能對發(fā)射機和接收機造成損壞。例如，當駐波比過大時，發(fā)射機輸出的功率無法有效傳輸?shù)教炀€，部分功率會反射回發(fā)射機，導致發(fā)射機發(fā)熱、效率降低，甚至可能損壞發(fā)射機的功率放大器等部件。天線的極化特性也不容忽視，極化是指天線輻射電磁波時，電場矢量在空間的取向和變化方式。常見的極化方式包括線極化（如水平極化、垂直極化）、圓極化和橢圓極化。在沖擊脈沖探地雷達中，極化特性對于目標的探測和識別具有重要意義。不同極化方式的電磁波在與地下目標相互作用時，其反射、散射特性會有所不同。例如，對于某些具有特定形狀和性質(zhì)的地下目標，水平極化波和垂直極化波的反射強度和相位變化可能存在差異，通過分析不同極化方式下的反射信號，可以獲取更多關(guān)于地下目標的信息，提高對目標的識別能力。此外，在實際探測環(huán)境中，發(fā)射天線和接收天線的極化方式需要匹配，以實現(xiàn)最佳的信號傳輸和接收效果。如果兩者極化方式不匹配，會導致接收信號的強度減弱，甚至可能無法接收到信號，嚴重影響雷達系統(tǒng)對地下目標的探測性能。天線的輻射效率是指天線將輸入功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的比例。輻射效率高的天線能夠更有效地將發(fā)射機提供的電能轉(zhuǎn)換為電磁波能量輻射出去，減少能量在天線內(nèi)部的損耗。在沖擊脈沖探地雷達中，高輻射效率的天線可以提高發(fā)射信號的強度，從而增強對地下目標的探測能力。同時，高輻射效率也有助于降低發(fā)射機的功率需求，減少設(shè)備的功耗和成本。例如，在一些對設(shè)備功耗有嚴格要求的便攜式探地雷達中，采用高輻射效率的天線可以延長電池的續(xù)航時間，提高設(shè)備的便攜性和實用性。半功率波束寬度是指在天線的輻射方向圖中，主瓣功率下降到最大值一半（即-3dB）時所對應(yīng)的兩個方向之間的夾角。半功率波束寬度反映了天線主瓣的寬窄程度，波束寬度越窄，說明天線的方向性越強，能量越集中在主瓣方向上。在沖擊脈沖探地雷達中，較窄的半功率波束寬度可以提高對地下目標的定位精度。例如，當需要精確確定地下管道、線纜等目標的位置時，窄波束寬度的天線能夠更準確地確定目標所在的方向，減少定位誤差，為后續(xù)的工程施工或維護提供更可靠的依據(jù)。旁瓣電平是指天線輻射方向圖中旁瓣的最大功率與主瓣最大功率之比，通常用分貝（dB）表示。較低的旁瓣電平意味著天線輻射能量主要集中在主瓣方向，旁瓣輻射的能量較少。在沖擊脈沖探地雷達中，低旁瓣電平可以減少來自旁瓣方向的干擾信號對主瓣接收信號的影響，提高雷達系統(tǒng)的抗干擾能力。例如，在復雜的電磁環(huán)境中，低旁瓣電平的天線可以有效降低周圍環(huán)境中其他電磁信號通過旁瓣進入雷達接收系統(tǒng)的可能性，使雷達更專注于接收來自地下目標的主瓣反射信號，從而提高對地下目標信號的識別和處理能力，保障雷達系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和準確探測。三、沖擊脈沖探地雷達天線類型及特點3.1偶極子天線3.1.1基本結(jié)構(gòu)與工作原理偶極子天線是一種結(jié)構(gòu)較為簡單且應(yīng)用廣泛的天線類型，其基本結(jié)構(gòu)由兩根對稱放置的導體構(gòu)成，這兩根導體相互靠近的兩端分別與饋電線相連。在常見的形式中，多由兩根共軸的直導線組成，這種結(jié)構(gòu)在遠處產(chǎn)生的輻射場具有軸對稱特性。以半波偶極子天線為例，其總長度近似為工作波長的一半，這是因為理論分析表明，細長偶極子天線內(nèi)的電流分布呈現(xiàn)駐波形式，且駐波波長恰好等于天線產(chǎn)生或接收的電磁波波長，所以在制作時通常依據(jù)工作波長來確定天線長度。當偶極子天線用作發(fā)射天線時，電信號從天線中心饋入導體。此時，在交變電流的作用下，導體上的電子會產(chǎn)生振蕩運動。根據(jù)麥克斯韋電磁理論，變化的電流會產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場又會產(chǎn)生變化的電場，如此循環(huán)往復，從而形成電磁波向周圍空間輻射。在輻射過程中，天線電流的分布對電磁波的輻射特性有著關(guān)鍵影響。在半波偶極子天線上，電流分布呈現(xiàn)出中間最大、兩端為零的駐波分布特性。電流在天線上的這種分布導致電磁波在不同方向上的輻射強度不同，從而形成特定的輻射方向圖。其輻射方向圖以饋電點為對稱，在垂直于天線軸的方向上輻射最強，而在天線軸的方向上輻射為零，呈“8”字形分布。當偶極子天線用作接收天線時，其工作原理基于電磁感應(yīng)。當入射的電磁波作用于天線時，會在天線上感應(yīng)出交變電流。這是因為電磁波中的電場分量會推動天線上的電子做定向運動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的大小和相位與入射電磁波的特性密切相關(guān)，通過對天線上感應(yīng)電流的檢測和分析，就可以獲取入射電磁波所攜帶的信息。在接收過程中，天線的極化特性與入射電磁波的極化特性需要匹配，才能實現(xiàn)高效的接收。例如，若入射電磁波為水平極化波，當接收天線也為水平極化時，能夠最大限度地接收電磁波信號；若極化方式不匹配，會導致接收信號強度大幅減弱。3.1.2在探地雷達中的應(yīng)用案例及優(yōu)缺點在探地雷達領(lǐng)域，偶極子天線有著廣泛的應(yīng)用實例。在地質(zhì)勘探中，偶極子天線被用于探測地下地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源分布。例如，在某山區(qū)的礦產(chǎn)資源勘探項目中，采用了偶極子天線的探地雷達系統(tǒng)，通過發(fā)射和接收電磁波，成功探測到地下深處的金屬礦脈分布情況，為后續(xù)的礦產(chǎn)開采提供了重要依據(jù)。在地下工程檢測方面，如城市地下管道檢測，偶極子天線能夠有效探測地下管道的位置、走向和埋深。在某城市的老舊城區(qū)改造項目中，利用偶極子天線的探地雷達對地下錯綜復雜的供水、排水和燃氣管道進行了精準探測，避免了在施工過程中對管道造成破壞，保障了工程的順利進行。偶極子天線在探地雷達應(yīng)用中具有諸多優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計和制作，這使得其成本相對較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。偶極子天線在其工作頻段內(nèi)能夠提供較為穩(wěn)定的輻射特性，其輻射方向圖相對固定，在垂直于天線軸的方向上有較強的輻射，這對于一些特定方向的探測需求能夠很好地滿足。例如，在對地面以下一定深度范圍進行探測時，利用其垂直方向的強輻射特性，可以有效地向地下發(fā)射電磁波并接收反射波，提高探測的靈敏度。此外，偶極子天線的極化特性較為明確，便于根據(jù)探測目標的特性選擇合適的極化方式，以增強對目標的探測和識別能力。然而，偶極子天線在探地雷達應(yīng)用中也存在一些局限性。其帶寬相對較窄，難以滿足沖擊脈沖探地雷達對超寬帶信號的輻射和接收需求。在實際探測中，沖擊脈沖信號具有極寬的頻譜成分，窄帶寬的偶極子天線可能會導致信號失真，丟失部分頻率成分的信息，從而影響對地下目標的探測精度和分辨率。例如，對于一些細小的地下目標或復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于窄帶寬天線無法準確接收信號的高頻成分，可能無法清晰地分辨目標的細節(jié)特征。偶極子天線的增益相對較低，這限制了雷達的探測距離。在探測深層地下目標時，由于信號在傳播過程中的衰減，低增益的天線可能無法接收到足夠強度的反射信號，導致探測深度受限。3.2領(lǐng)結(jié)天線3.2.1獨特結(jié)構(gòu)與輻射特性領(lǐng)結(jié)天線是一種具有獨特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異輻射特性的天線類型，在沖擊脈沖探地雷達領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值。其結(jié)構(gòu)設(shè)計獨具匠心，通常由兩個對稱的三角形導體臂組成，從正面看形似領(lǐng)結(jié)，這一獨特的形狀賦予了它區(qū)別于其他天線的特性。兩個三角形導體臂的頂點相對，底邊相互平行，中間通過饋電點連接。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，它可以被視為二維形式的錐形偶極子，相較于傳統(tǒng)的偶極子天線，其導體臂的形狀和尺寸變化更為靈活，從而能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的性能。例如，通過調(diào)整三角形導體臂的長度、角度以及臂間距離等參數(shù)，可以有效地改變天線的輸入阻抗、輻射方向圖和帶寬等性能指標。在沖擊脈沖信號的激勵下，領(lǐng)結(jié)天線展現(xiàn)出獨特的輻射特性。由于其結(jié)構(gòu)的對稱性，電流在兩個導體臂上的分布也具有對稱性，使得輻射場在空間中的分布相對均勻。在寬頻帶范圍內(nèi)，領(lǐng)結(jié)天線能夠保持較為穩(wěn)定的輻射特性，這是因為其結(jié)構(gòu)對不同頻率的電磁波具有較好的適應(yīng)性。當沖擊脈沖信號包含豐富的頻率成分時，領(lǐng)結(jié)天線能夠有效地輻射各個頻率的信號，減少信號失真。例如，在超寬帶通信和沖擊脈沖探地雷達等應(yīng)用中，要求天線能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)工作，領(lǐng)結(jié)天線憑借其獨特的結(jié)構(gòu)和輻射特性，能夠滿足這一要求，準確地輻射和接收沖擊脈沖信號。領(lǐng)結(jié)天線的輻射方向圖在不同平面上呈現(xiàn)出特定的形狀。在水平面上，其輻射方向圖近似為圓形，這意味著在水平方向上，天線能夠均勻地輻射和接收信號，對于全方位探測具有重要意義。在垂直面上，輻射方向圖則呈現(xiàn)出類似于“8”字形的形狀，在垂直于天線平面的方向上輻射較強，而在天線平面內(nèi)的輻射相對較弱。這種輻射方向圖的特點使得領(lǐng)結(jié)天線在探地雷達應(yīng)用中，能夠有效地向地下輻射電磁波，并接收來自地下目標的反射信號。例如，在地下管道探測中，領(lǐng)結(jié)天線的垂直方向強輻射特性可以確保電磁波能夠深入地下，準確地探測到管道的位置和走向。此外，領(lǐng)結(jié)天線還具有較高的增益和較好的方向性。其增益性能使得天線能夠?qū)l(fā)射機的能量更有效地集中在特定方向上，增強對該方向上目標的探測能力。在深部地質(zhì)構(gòu)造探測中，高增益的領(lǐng)結(jié)天線可以提高對深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)反射信號的接收強度，增大雷達的探測深度。領(lǐng)結(jié)天線的方向性能夠使其更專注于特定方向的信號輻射和接收，減少其他方向信號的干擾，提高雷達系統(tǒng)的抗干擾能力。例如，在復雜的電磁環(huán)境中，領(lǐng)結(jié)天線可以通過其良好的方向性，有效地抑制來自周圍環(huán)境的干擾信號，準確地接收來自地下目標的信號。3.2.2實際應(yīng)用表現(xiàn)及改進方向在實際應(yīng)用中，領(lǐng)結(jié)天線在沖擊脈沖探地雷達領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的性能表現(xiàn)，同時也存在一些需要改進的方面。在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，領(lǐng)結(jié)天線被廣泛應(yīng)用于地下地質(zhì)構(gòu)造的探測。在某山區(qū)的地質(zhì)勘探項目中，采用領(lǐng)結(jié)天線的沖擊脈沖探地雷達系統(tǒng)成功探測到地下深處的斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造。由于領(lǐng)結(jié)天線具有較寬的帶寬和良好的輻射特性，能夠有效地發(fā)射和接收沖擊脈沖信號，從而獲取到地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的詳細信息。在探測過程中，領(lǐng)結(jié)天線能夠?qū)㈦姶挪芰考邢虻叵螺椛?，增強了對深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測能力，使得地質(zhì)勘探人員能夠更準確地了解地下地質(zhì)構(gòu)造，為后續(xù)的礦產(chǎn)資源勘探和開發(fā)提供了重要依據(jù)。在地下工程檢測方面，如城市地下管道檢測和隧道襯砌質(zhì)量檢測，領(lǐng)結(jié)天線也發(fā)揮了重要作用。在城市地下管道檢測中，領(lǐng)結(jié)天線能夠快速、準確地定位地下管道的位置和埋深。其寬頻帶特性可以使雷達系統(tǒng)接收到更豐富的管道反射信號，通過對這些信號的分析和處理，能夠清晰地識別出管道的形狀、走向和材質(zhì)等信息。在隧道襯砌質(zhì)量檢測中，領(lǐng)結(jié)天線可以檢測隧道襯砌內(nèi)部的缺陷，如空洞、裂縫等。通過發(fā)射和接收沖擊脈沖信號，領(lǐng)結(jié)天線能夠探測到襯砌內(nèi)部的異常反射，從而判斷出襯砌的質(zhì)量狀況，保障隧道的安全運行。盡管領(lǐng)結(jié)天線在實際應(yīng)用中取得了一定的成果，但仍存在一些需要改進的地方。在天線的小型化方面，雖然領(lǐng)結(jié)天線的結(jié)構(gòu)相對簡單，但在一些對設(shè)備體積和重量有嚴格要求的應(yīng)用場景中，如便攜式探地雷達，其尺寸和重量仍有待進一步減小。目前，研究人員正在探索采用新型材料和微加工技術(shù)，如使用高介電常數(shù)的材料制作天線導體臂，或者采用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制造小型化的領(lǐng)結(jié)天線，以滿足實際應(yīng)用對小型化的需求。在天線的抗干擾性能方面，當探地雷達在復雜的電磁環(huán)境中工作時，領(lǐng)結(jié)天線容易受到周圍環(huán)境電磁干擾的影響，導致接收信號的質(zhì)量下降。為了提高領(lǐng)結(jié)天線的抗干擾性能，可以采用電磁屏蔽技術(shù)，在天線周圍設(shè)置屏蔽層，減少外界電磁干擾對天線的影響。還可以通過優(yōu)化天線的饋電方式和信號處理算法，提高天線對干擾信號的抑制能力。例如，采用平衡饋電技術(shù)，減少饋線引入的干擾信號；利用自適應(yīng)濾波算法，根據(jù)干擾信號的特點實時調(diào)整濾波器參數(shù)，有效地去除干擾信號。在提高天線的輻射效率方面，目前領(lǐng)結(jié)天線的輻射效率還有提升的空間。通過優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如調(diào)整導體臂的形狀、尺寸和間距等，可以提高天線的輻射效率，減少能量在天線內(nèi)部的損耗。研究人員還在探索采用新型的天線結(jié)構(gòu)和輻射機制，如加載超材料等，以進一步提高領(lǐng)結(jié)天線的輻射效率，增強其在探地雷達中的探測能力。3.3行波天線3.3.1行波形成機制與原理行波天線是一種特殊類型的天線，其天線上的電流呈行波分布，這種獨特的電流分布方式賦予了行波天線許多優(yōu)異的特性，使其在沖擊脈沖探地雷達等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。行波天線中電流形成行波的機制主要基于傳輸線理論和電磁波的傳播原理。當信號源向行波天線饋電時，電流從饋電點開始沿著天線導體傳播。在理想情況下，為了實現(xiàn)行波電流分布，需要在天線的終端連接匹配負載，以抑制反射波的產(chǎn)生。這是因為如果天線終端不匹配，信號在傳輸?shù)浇K端時會發(fā)生反射，反射波與入射波相互干涉，就會在天線上形成駐波，而不是行波。匹配負載的作用是吸收傳輸?shù)浇K端的電磁波能量，使得信號能夠持續(xù)地向前傳播，從而在天線上形成穩(wěn)定的行波電流分布。以長導線行波天線為例，當信號沿導線傳播時，導線可以看作是一系列微小的電基本振子的集合。每個電基本振子都在其周圍空間產(chǎn)生電磁場，這些電磁場相互疊加，就形成了行波天線的輻射場。由于天線上電流呈行波分布，各點電流的相位連續(xù)變化，這使得輻射場在空間中的分布也呈現(xiàn)出特定的規(guī)律。在遠區(qū)，行波天線的輻射場可以通過對天線上各個電基本振子輻射場的積分來計算。其輻射場的方向函數(shù)與天線的長度、電流分布以及觀測點的位置等因素密切相關(guān)。一般來說，行波天線在垂直于導線軸線的方向上輻射較強，而在導線軸線方向上輻射為零。這是因為在垂直方向上，各電基本振子輻射場的相位差相對較小，能夠相互加強，形成較強的輻射；而在軸線方向上，各電基本振子輻射場的相位差較大，相互抵消，導致輻射為零。在沖擊脈沖探地雷達中，行波天線對脈沖信號的輻射和傳播原理具有獨特的優(yōu)勢。沖擊脈沖信號具有極短的脈沖寬度和豐富的頻譜成分，行波天線能夠有效地輻射這些寬頻帶信號，減少信號的失真和畸變。這是因為行波天線的寬帶特性使得它能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)保持較好的輻射性能，能夠準確地將沖擊脈沖信號的各個頻率分量輻射出去。當行波天線接收從地下反射回來的脈沖信號時，其行波電流分布能夠有效地感應(yīng)出反射信號中的電場變化，將電磁波信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給接收機。行波天線的快速響應(yīng)特性能夠及時捕捉到反射信號的變化，為后續(xù)的信號處理和分析提供準確的數(shù)據(jù)。由于行波天線的輸入阻抗近似為純電阻，且對頻率變化不敏感，這使得它與傳輸線之間的匹配更加穩(wěn)定，能夠保證信號在傳輸過程中的高效性和準確性，進一步提高了沖擊脈沖探地雷達對地下目標的探測能力。3.3.2典型行波天線在探地雷達的應(yīng)用分析以菱形天線這一典型的行波天線為例，深入分析其在探地雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用效果以及對系統(tǒng)性能的提升作用。菱形天線由四根導線組成菱形結(jié)構(gòu)，從菱形的一只銳角端饋電，另一只銳角端接匹配負載，使得導線上形成行波電流。這種獨特的結(jié)構(gòu)和電流分布方式使其在探地雷達應(yīng)用中展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，菱形天線能夠有效地探測地下地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源分布。在某山區(qū)的地質(zhì)勘探項目中，采用菱形天線的沖擊脈沖探地雷達系統(tǒng)成功探測到地下深處的斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造。由于菱形天線具有較寬的工作頻帶，能夠輻射和接收沖擊脈沖信號的寬頻譜成分，從而獲取到更豐富的地下地質(zhì)信息。其方向性較強，最大輻射方向位于經(jīng)過兩銳角頂點的垂直平面內(nèi)，指向終端負載方向，這種單向輻射特性使得它能夠更集中地向地下特定區(qū)域發(fā)射電磁波，并接收來自該區(qū)域的反射信號，提高了對地下目標的探測靈敏度。在探測地下礦產(chǎn)資源時，菱形天線能夠根據(jù)反射信號的特征，準確地判斷出礦產(chǎn)資源的位置和大致范圍，為后續(xù)的礦產(chǎn)開采提供了重要依據(jù)。在地下工程檢測方面，如城市地下管道檢測，菱形天線也發(fā)揮了重要作用。在城市復雜的地下環(huán)境中，存在著各種金屬和非金屬管道，采用菱形天線的探地雷達能夠快速、準確地定位這些管道的位置和埋深。其抗干擾能力較強，能夠在復雜的電磁環(huán)境中有效地抑制周圍環(huán)境的干擾信號，準確地接收來自地下管道的反射信號。通過對反射信號的分析和處理，可以清晰地識別出管道的形狀、走向和材質(zhì)等信息，為城市地下管道的維護和管理提供了有力的技術(shù)支持。菱形天線對探地雷達系統(tǒng)性能的提升主要體現(xiàn)在以下幾個方面。它提高了雷達系統(tǒng)的探測距離。由于菱形天線的增益相對較高，能夠?qū)l(fā)射機的能量更有效地集中在特定方向上，使得電磁波在傳播過程中的衰減較小，從而可以探測到更遠距離的地下目標。在深部地質(zhì)構(gòu)造探測中，使用菱形天線的探地雷達能夠接收到來自更深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的反射信號，拓展了雷達的探測深度，獲取更豐富的地下深部信息。菱形天線的寬頻帶特性提升了雷達系統(tǒng)的分辨率。寬頻帶天線能夠更準確地輻射和接收沖擊脈沖信號的各個頻率分量，減少信號失真，從而提高雷達對地下目標的分辨率，能夠更清晰地分辨出地下目標的形狀、大小和位置等細節(jié)信息。在地下管道檢測中，高分辨率的探地雷達能夠準確地檢測到管道的微小缺陷和變形，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。菱形天線的單向輻射特性增強了雷達系統(tǒng)的抗干擾能力。在復雜的電磁環(huán)境中，單向輻射特性使得天線能夠更專注于接收來自地下目標方向的信號，減少其他方向干擾信號的影響，提高了雷達系統(tǒng)對地下目標信號的識別和處理能力，保障了雷達系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和準確探測。四、沖擊脈沖探地雷達天線設(shè)計與優(yōu)化4.1天線設(shè)計的關(guān)鍵要素4.1.1超寬帶特性設(shè)計在沖擊脈沖探地雷達的應(yīng)用中，超寬帶特性是天線設(shè)計的核心要素之一，對雷達系統(tǒng)的性能起著決定性作用。由于沖擊脈沖信號具有極寬的頻譜成分，從直流延伸至數(shù)吉赫茲，這就要求天線能夠在如此寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的性能，以確保信號的有效輻射和接收，減少信號失真，從而提高雷達的分辨率和探測精度。為實現(xiàn)天線的超寬帶特性，可采用多種技術(shù)手段和設(shè)計方法。漸變結(jié)構(gòu)設(shè)計是一種有效的展寬頻帶的方法。通過使天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如導體的寬度、長度、形狀等）沿電磁波傳播方向逐漸變化，能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻率成分的電磁波在天線上的良好匹配和傳播。例如，漸變縫隙天線，其縫隙寬度從一端到另一端逐漸變化，這種漸變結(jié)構(gòu)能夠有效地拓展天線的工作帶寬。在理論分析方面，根據(jù)傳輸線理論，漸變結(jié)構(gòu)可以看作是一系列特性阻抗逐漸變化的傳輸線的組合，從而實現(xiàn)對寬頻帶信號的匹配傳輸。當電磁波在漸變縫隙天線上傳播時，不同頻率的信號能夠在不同位置找到合適的匹配點，減少信號的反射，進而實現(xiàn)超寬帶特性。通過數(shù)值模擬和實驗驗證，漸變縫隙天線在多個頻段都能保持較好的輻射性能，帶寬可覆蓋數(shù)吉赫茲，滿足沖擊脈沖探地雷達對超寬帶信號的輻射需求。采用多諧振結(jié)構(gòu)也是實現(xiàn)超寬帶特性的重要途徑。多諧振結(jié)構(gòu)是指在天線中引入多個諧振單元，每個諧振單元在不同的頻率點產(chǎn)生諧振，從而使天線在多個頻段都能實現(xiàn)良好的性能，拓寬了天線的工作帶寬。例如，采用多個不同尺寸的貼片或縫隙組成的多諧振天線，不同尺寸的貼片或縫隙對應(yīng)不同的諧振頻率。在某多諧振貼片天線的設(shè)計中，通過合理調(diào)整貼片的尺寸和位置，使天線在1-6GHz的寬頻帶范圍內(nèi)都具有較好的輻射性能。當沖擊脈沖信號中的不同頻率成分入射到該天線時，相應(yīng)的諧振單元會產(chǎn)生諧振，增強對該頻率成分的輻射和接收能力，從而實現(xiàn)超寬帶特性。理論分析表明，多諧振結(jié)構(gòu)利用了諧振單元的共振特性，通過多個諧振單元的協(xié)同作用，有效地拓展了天線的帶寬。實驗結(jié)果也驗證了該多諧振貼片天線在超寬帶范圍內(nèi)的良好性能，其駐波比在整個頻段內(nèi)都保持在較低水平，確保了信號的高效傳輸。加載技術(shù)同樣可以用于展寬天線的頻帶。加載技術(shù)是在天線結(jié)構(gòu)中添加一些特殊的元件或結(jié)構(gòu)，如電感、電容、電阻、短路針等，通過改變天線的電磁特性來拓展帶寬。例如，在偶極子天線上加載電感或電容，可以改變天線的諧振頻率和阻抗特性，從而實現(xiàn)帶寬的展寬。當在偶極子天線上加載電感時，根據(jù)電感對電流的阻礙作用和對磁場的儲存特性，天線的等效電抗發(fā)生變化，使得天線在更寬的頻率范圍內(nèi)能夠保持較好的阻抗匹配，進而拓展了帶寬。在某加載電感的偶極子天線設(shè)計中，通過理論計算和仿真分析，確定了電感的合適值和加載位置，使天線的帶寬得到了顯著拓展，在原來的基礎(chǔ)上增加了數(shù)倍，滿足了沖擊脈沖探地雷達對超寬帶信號的接收要求。此外，采用新型材料也為實現(xiàn)天線的超寬帶特性提供了新的思路。一些具有特殊電磁性能的材料，如超材料、高介電常數(shù)材料等，能夠改變天線的電磁環(huán)境，從而實現(xiàn)超寬帶特性。超材料具有獨特的電磁參數(shù)，如負介電常數(shù)、負磁導率等，通過合理設(shè)計超材料的結(jié)構(gòu)和布局，可以使天線在寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的阻抗匹配和輻射特性。在某基于超材料的天線設(shè)計中，利用超材料的負折射特性，設(shè)計了一種新型的超材料天線結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬和實驗測試，該天線在超寬帶范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其輻射效率和增益在多個頻段都保持較高水平，有效地拓展了天線的工作帶寬，為沖擊脈沖探地雷達的應(yīng)用提供了更強大的技術(shù)支持。4.1.2輻射方向圖優(yōu)化輻射方向圖是衡量天線性能的重要指標之一，它直接影響著沖擊脈沖探地雷達對目標區(qū)域的探測效果。在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的探測需求，需要對天線的輻射方向圖進行優(yōu)化，以確保電磁波能量能夠集中在目標區(qū)域，提高探測靈敏度和分辨率。通過改變天線結(jié)構(gòu)來優(yōu)化輻射方向圖是一種常見的方法。以偶極子天線為例，通過調(diào)整偶極子的長度、半徑以及它們之間的夾角等參數(shù)，可以改變天線的輻射方向圖。當偶極子長度接近半波長時，其輻射方向圖在垂直于偶極子軸的方向上輻射最強，呈“8”字形分布。若要增強某一特定方向的輻射，可以適當調(diào)整偶極子的角度。在某地下管道探測應(yīng)用中，為了使天線能夠更有效地向地下管道方向輻射電磁波，將偶極子天線的軸線與地面成一定角度傾斜放置，通過理論計算和仿真分析，確定了最佳的傾斜角度。實驗結(jié)果表明，調(diào)整后的天線在地下管道方向的輻射強度明顯增強，提高了對地下管道的探測靈敏度。這種通過改變天線結(jié)構(gòu)參數(shù)來優(yōu)化輻射方向圖的方法，基于天線的電磁輻射原理，即天線的輻射特性與天線的幾何結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過合理調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以改變電流在天線上的分布，進而改變輻射方向圖。采用反射器或引向器也是優(yōu)化輻射方向圖的有效手段。反射器和引向器通常是放置在天線周圍的金屬結(jié)構(gòu)，它們通過對電磁波的反射和引導作用，改變天線的輻射方向圖。在八木-宇田天線中，反射器位于天線的后方，它將天線向后輻射的電磁波反射向前方，增強了前方的輻射強度；引向器位于天線的前方，它引導電磁波向前輻射，進一步增強了前方的方向性。在某地質(zhì)勘探項目中，采用了帶有反射器和引向器的八木-宇田天線，用于探測地下深處的地質(zhì)構(gòu)造。通過調(diào)整反射器和引向器的尺寸、位置和間距等參數(shù)，優(yōu)化了天線的輻射方向圖，使天線能夠更集中地向地下目標區(qū)域輻射電磁波。根據(jù)電磁學原理，反射器和引向器的作用是基于電磁波的反射和干涉現(xiàn)象，通過合理設(shè)計它們的參數(shù)，可以使反射波和直射波在目標方向上相互加強，在其他方向上相互削弱，從而實現(xiàn)輻射方向圖的優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的八木-宇田天線在地下目標方向的增益明顯提高，有效地提高了對深部地質(zhì)構(gòu)造的探測能力。利用智能材料實現(xiàn)天線輻射方向圖的動態(tài)調(diào)整是當前研究的熱點方向之一。智能材料是一類能夠?qū)ν饨绱碳ぃㄈ珉妶?、磁場、溫度、壓力等）做出響?yīng)并改變自身性能的材料，如電致伸縮材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金等。將智能材料應(yīng)用于天線設(shè)計中，可以通過控制外界刺激來改變天線的結(jié)構(gòu)或電磁特性，從而實現(xiàn)輻射方向圖的動態(tài)調(diào)整。例如，采用電致伸縮材料制作天線的輻射單元，當在材料上施加不同的電場時，材料的形狀會發(fā)生變化，進而改變天線的輻射方向圖。在某智能天線系統(tǒng)中，利用電致伸縮材料實現(xiàn)了天線輻射方向圖的動態(tài)調(diào)整。通過實時監(jiān)測探測環(huán)境和目標位置的變化，根據(jù)需要向電致伸縮材料施加相應(yīng)的電場，使天線的輻射方向圖能夠快速調(diào)整到目標方向。這種基于智能材料的動態(tài)調(diào)整方法，具有響應(yīng)速度快、調(diào)整靈活等優(yōu)點，能夠更好地適應(yīng)復雜多變的探測環(huán)境，提高沖擊脈沖探地雷達的探測性能。理論分析和實驗驗證都表明，該智能天線系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)輻射方向圖的動態(tài)調(diào)整，在不同的探測場景下都能保持良好的探測效果。4.1.3抑制旁瓣與后瓣在沖擊脈沖探地雷達天線設(shè)計中，抑制旁瓣和后瓣具有至關(guān)重要的意義，直接關(guān)系到雷達系統(tǒng)的探測性能和準確性。旁瓣是指天線輻射方向圖中除主瓣以外的其他瓣，后瓣則是指與主瓣方向相反的輻射瓣。過高的旁瓣和后瓣會帶來一系列問題，如接收來自非目標方向的干擾信號，降低雷達系統(tǒng)的信噪比，影響對目標信號的準確識別和分析，導致虛警和漏警等情況的發(fā)生，從而嚴重降低雷達系統(tǒng)的探測性能和可靠性。采用加權(quán)技術(shù)是抑制旁瓣的常用方法之一。加權(quán)技術(shù)是通過對陣列天線中各陣元的激勵幅度和相位進行調(diào)整，使天線的輻射方向圖滿足特定的要求，從而達到抑制旁瓣的目的。常見的加權(quán)方法包括泰勒加權(quán)、切比雪夫加權(quán)等。泰勒加權(quán)通過控制旁瓣電平的衰減速率，在保證一定主瓣寬度的前提下，有效地降低旁瓣電平。切比雪夫加權(quán)則以等波紋特性為基礎(chǔ)，在給定的旁瓣電平和主瓣寬度條件下，能夠使天線的增益達到最大。在某陣列天線設(shè)計中，采用泰勒加權(quán)方法來抑制旁瓣。通過理論計算和仿真分析，確定了各陣元的加權(quán)系數(shù)，使天線的旁瓣電平得到了顯著降低。根據(jù)天線輻射理論，加權(quán)技術(shù)改變了陣列天線中各陣元輻射場的疊加方式，使得旁瓣方向的輻射場相互抵消或減弱，而主瓣方向的輻射場相互加強，從而實現(xiàn)旁瓣抑制。實驗結(jié)果表明，采用泰勒加權(quán)后的陣列天線，旁瓣電平降低了10dB以上，有效地提高了雷達系統(tǒng)的抗干擾能力和探測性能。優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)也是抑制旁瓣和后瓣的重要手段。通過合理設(shè)計天線的形狀、尺寸和布局，可以減少旁瓣和后瓣的輻射。例如，采用反射面天線時，通過優(yōu)化反射面的形狀和尺寸，使其能夠更好地聚焦電磁波，減少旁瓣和后瓣的產(chǎn)生。在某拋物面反射天線設(shè)計中，通過精確計算和優(yōu)化反射面的拋物面參數(shù)，使天線的旁瓣和后瓣得到了有效抑制。從電磁學原理角度分析，優(yōu)化后的反射面能夠?qū)㈦姶挪ǜ械胤瓷涞街靼攴较?，減少了其他方向的反射，從而降低了旁瓣和后瓣的輻射強度。實驗測試結(jié)果顯示，該拋物面反射天線的旁瓣和后瓣電平明顯降低，在主瓣方向的增益得到了提高，提升了雷達系統(tǒng)對目標的探測精度和距離。采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制后瓣。屏蔽技術(shù)是在天線的后方設(shè)置屏蔽結(jié)構(gòu)，阻擋電磁波向后輻射，從而減少后瓣的強度。屏蔽結(jié)構(gòu)通常采用金屬材料制作，利用金屬對電磁波的反射和吸收特性來實現(xiàn)屏蔽效果。在某探地雷達天線設(shè)計中，在天線的后方設(shè)置了金屬屏蔽板，通過調(diào)整屏蔽板的尺寸、形狀和位置，有效地抑制了后瓣。根據(jù)電磁波的反射和吸收原理，金屬屏蔽板將向后輻射的電磁波反射回去或吸收掉，減少了后瓣的輻射能量。實驗結(jié)果表明，設(shè)置屏蔽板后，天線的后瓣電平降低了15dB以上，大大提高了雷達系統(tǒng)對前方目標的探測能力，減少了后方干擾信號對雷達系統(tǒng)的影響。4.2基于仿真軟件的天線優(yōu)化設(shè)計4.2.1常用仿真軟件介紹在沖擊脈沖探地雷達天線的設(shè)計與優(yōu)化過程中，電磁仿真軟件發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。CSTMicrowaveStudio和ANSYSHFSS是兩款廣泛應(yīng)用于天線設(shè)計領(lǐng)域的專業(yè)仿真軟件，它們各自具備獨特的功能和特點，為天線的設(shè)計與優(yōu)化提供了強大的技術(shù)支持。CSTMicrowaveStudio基于時域有限積分法（FDTD），這一算法的核心優(yōu)勢在于能夠高效地處理寬帶頻譜問題。在進行沖擊脈沖探地雷達天線仿真時，僅需輸入一個時域脈沖，便可覆蓋寬頻帶，從而快速獲取天線在寬頻范圍內(nèi)的性能參數(shù)。該軟件在處理電大尺寸結(jié)構(gòu)時表現(xiàn)出色，對于大型天線或復雜的天線陣列，CST能夠準確地模擬其電磁特性。CST還提供了豐富的建模工具，包括幾何造型工具、布爾操作和參數(shù)化建模等，方便用戶創(chuàng)建各種復雜的天線模型。其仿真速度較快，資源利用效率高，能夠在較短的時間內(nèi)完成仿真任務(wù)，減少設(shè)計周期。例如，在某超寬帶天線的設(shè)計中，使用CST軟件進行仿真，通過設(shè)置合理的參數(shù)，快速得到了天線在不同頻率下的S參數(shù)、輻射方向圖等性能指標，為天線的優(yōu)化設(shè)計提供了重要依據(jù)。ANSYSHFSS則基于有限元法（FEM），該算法在處理三維復雜結(jié)構(gòu)的電磁問題時具有顯著優(yōu)勢。它能夠?qū)μ炀€的細微結(jié)構(gòu)和復雜形狀進行精確建模和分析，對于一些具有特殊結(jié)構(gòu)的沖擊脈沖探地雷達天線，如帶有復雜饋電網(wǎng)絡(luò)或異形輻射單元的天線，HFSS能夠準確計算其電場、磁場分布，從而深入研究天線的電磁特性。HFSS在仿真電小物體時精度較高，能夠準確模擬小尺寸天線元件的電磁行為。該軟件還具備強大的后處理功能，可以直觀地展示天線的各種性能參數(shù)，如增益、方向性系數(shù)、輸入阻抗等，幫助設(shè)計人員更好地理解天線的性能表現(xiàn)。例如，在設(shè)計一款具有特殊形狀輻射單元的探地雷達天線時，利用HFSS軟件的有限元分析功能，對天線的三維結(jié)構(gòu)進行了精細建模，通過仿真得到了天線在不同工作頻率下的電場分布和輻射特性，為天線的優(yōu)化設(shè)計提供了詳細的數(shù)據(jù)支持。兩款軟件在功能和特點上各有優(yōu)勢，CST適用于寬帶頻譜和電大尺寸結(jié)構(gòu)的仿真，而HFSS則在三維復雜結(jié)構(gòu)和電小物體的精確分析方面表現(xiàn)出色。在實際的沖擊脈沖探地雷達天線設(shè)計中，通常會根據(jù)天線的具體特點和設(shè)計需求選擇合適的仿真軟件，有時也會結(jié)合使用兩款軟件，充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，以實現(xiàn)天線的優(yōu)化設(shè)計。4.2.2仿真流程與參數(shù)設(shè)置以某超寬帶沖擊脈沖探地雷達天線的設(shè)計為例，詳細闡述使用CSTMicrowaveStudio進行天線優(yōu)化設(shè)計的具體流程和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。在建模階段，首先根據(jù)天線的設(shè)計方案，利用CST軟件豐富的幾何造型工具構(gòu)建天線的三維模型。例如，對于一款采用漸變縫隙結(jié)構(gòu)的超寬帶天線，使用軟件的多邊形繪制工具創(chuàng)建漸變縫隙的形狀，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作構(gòu)建出完整的天線結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建過程中，精確設(shè)置各個幾何參數(shù)，如縫隙的長度、寬度、漸變斜率等，這些參數(shù)將直接影響天線的性能。設(shè)置縫隙長度為50mm，寬度從起始端的1mm漸變到末端的5mm，漸變斜率為一定值，以實現(xiàn)良好的寬帶特性。為了模擬實際的工作環(huán)境，還需添加天線的饋電結(jié)構(gòu)和周圍的介質(zhì)材料。使用CST軟件的建模工具創(chuàng)建饋電端口，設(shè)置其位置和尺寸，確保與天線結(jié)構(gòu)的良好連接。根據(jù)實際情況，設(shè)置天線周圍的介質(zhì)材料參數(shù)，如介電常數(shù)、磁導率等。假設(shè)天線放置在空氣中，空氣的介電常數(shù)近似為1，磁導率近似為1。在設(shè)置仿真參數(shù)時，需要考慮多個關(guān)鍵因素。設(shè)置求解器類型為TimeDomainSolver，這是因為時域求解器能夠有效地處理沖擊脈沖信號的寬頻特性。設(shè)置仿真的頻率范圍，根據(jù)沖擊脈沖探地雷達的工作頻段，將頻率范圍設(shè)置為0.5-5GHz，以覆蓋天線所需的工作帶寬。設(shè)置時間步長和仿真時間，時間步長的選擇要兼顧計算精度和效率，一般根據(jù)天線的最小尺寸和電磁波在介質(zhì)中的傳播速度來確定。經(jīng)過計算和經(jīng)驗判斷，設(shè)置時間步長為1e-12s，仿真時間為100ns，以確保能夠準確捕捉到?jīng)_擊脈沖信號的響應(yīng)。在邊界條件設(shè)置方面，為了模擬天線在自由空間中的輻射情況，將模型的邊界條件設(shè)置為Open(AddSpace)，這種邊界條件可以吸收向外傳播的電磁波，避免反射對仿真結(jié)果的影響。對于天線的金屬部分，設(shè)置其材料屬性為理想電導體（PEC），以模擬金屬的導電特性。在添加激勵源時，根據(jù)沖擊脈沖探地雷達的信號特點，選擇高斯脈沖作為激勵源。設(shè)置高斯脈沖的中心頻率、脈沖寬度等參數(shù)，中心頻率設(shè)置為2GHz，脈沖寬度設(shè)置為1ns，以模擬實際的沖擊脈沖信號。添加觀測器來監(jiān)測天線的性能參數(shù)，如S參數(shù)、輻射方向圖、增益等。在模型中合適的位置添加S參數(shù)觀測器，用于監(jiān)測天線的輸入阻抗和反射系數(shù)；在遠場區(qū)域添加輻射方向圖觀測器，用于獲取天線在不同方向上的輻射特性；添加增益觀測器，用于計算天線的增益。完成上述設(shè)置后，提交仿真任務(wù)，CST軟件將根據(jù)設(shè)置的參數(shù)和模型進行計算。在仿真過程中，可以實時查看仿真進度和計算資源的使用情況。當仿真完成后，軟件會生成詳細的仿真結(jié)果文件，包含各種性能參數(shù)的數(shù)據(jù)和圖表。4.2.3仿真結(jié)果分析與改進策略對使用CSTMicrowaveStudio仿真得到的超寬帶沖擊脈沖探地雷達天線性能參數(shù)結(jié)果進行深入分析，并依據(jù)分析結(jié)果提出進一步優(yōu)化和改進的策略。在S參數(shù)分析方面，通過查看仿真得到的S11參數(shù)曲線（反射系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線），評估天線的輸入阻抗匹配情況。若S11在某些頻率點上的值較高，說明天線在這些頻率處與饋線的阻抗匹配不佳，會導致信號反射較大，能量傳輸效率降低。在某一頻段內(nèi)S11大于-10dB，這意味著該頻段內(nèi)有較多的信號被反射回饋線。針對這一問題，可以通過調(diào)整天線的饋電結(jié)構(gòu)或添加匹配網(wǎng)絡(luò)來改善阻抗匹配。例如，在天線的饋電點處添加一個LC匹配網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整電感L和電容C的值，使天線在工作頻段內(nèi)的S11降低到-10dB以下，提高信號的傳輸效率。在輻射方向圖分析中，觀察天線在不同平面（如E面和H面）的輻射方向圖，判斷其輻射特性是否滿足設(shè)計要求。如果輻射方向圖的主瓣不夠尖銳，旁瓣電平較高，會影響天線對目標的探測精度和抗干擾能力。主瓣寬度較寬，旁瓣電平達到-10dB，這會導致能量分散，降低對目標方向的探測能力。為了改進這一問題，可以采用優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)的方法，如調(diào)整天線的形狀、尺寸或添加反射器、引向器等。通過增加反射器的尺寸和調(diào)整其位置，使主瓣寬度變窄，旁瓣電平降低到-15dB以下，增強天線的方向性和抗干擾能力。在增益分析中，查看天線在工作頻段內(nèi)的增益曲線，評估其增益性能。若增益在某些頻率段較低，會影響雷達的探測距離和靈敏度。在高頻段增益下降明顯，無法滿足遠距離探測的需求。為了提高增益，可以嘗試改變天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增加天線的輻射單元數(shù)量或優(yōu)化輻射單元的排列方式。在原天線結(jié)構(gòu)上增加一個輻射單元，并調(diào)整其與其他單元的間距和相位關(guān)系，通過仿真驗證，增益在高頻段得到了明顯提升，滿足了設(shè)計要求。在脈沖響應(yīng)分析中，觀察天線對沖擊脈沖信號的響應(yīng)波形，評估其脈沖保真度。若響應(yīng)波形出現(xiàn)明顯的畸變或拖尾現(xiàn)象，會影響雷達對目標的分辨率和定位精度。響應(yīng)波形存在拖尾，持續(xù)時間較長，這會導致信號的模糊和重疊，降低分辨率。為了改善脈沖保真度，可以優(yōu)化天線的材料和結(jié)構(gòu)，減少信號的色散和損耗。采用低損耗的材料制作天線，并優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)，減少電流分布的不均勻性，使響應(yīng)波形的拖尾現(xiàn)象得到明顯改善，提高了脈沖保真度。五、沖擊脈沖探地雷達天線測量與實驗驗證5.1天線測量方法與設(shè)備5.1.1遠場測量法遠場測量法是一種經(jīng)典的天線測量方法，在天線的輻射特性研究中具有重要地位。其原理基于天線的遠場輻射特性，當觀測點與天線的距離足夠遠時，天線輻射的電磁波可近似看作平面波。在遠場條件下，天線的輻射場與距離的關(guān)系遵循特定規(guī)律，這使得我們能夠通過測量遠場的電場強度、磁場強度等參數(shù)來準確獲取天線的輻射特性。在實際的遠場測量中，通常將待測天線架設(shè)在離地較高的支架上，以減少地面反射波的影響。在天線輻射遠場區(qū)安裝掃描探頭，通過探頭在不同方向上的移動，直接測量天線遠場處的各項特性，如輻射方向圖、增益等。在測量輻射方向圖時，將探頭繞著待測天線旋轉(zhuǎn)，在不同的角度位置測量電場強度的大小，從而繪制出天線在不同方向上的輻射強度分布曲線，即輻射方向圖。通過這種方式，可以直觀地了解天線在各個方向上的輻射能力，判斷其輻射特性是否滿足設(shè)計要求。遠場測量法具有測量方法簡單、結(jié)果直觀的優(yōu)點。通過簡單的校準、運算即可得到所需測量結(jié)果，且任何距離測量的場波瓣都是有效的，僅需要對場強按1/R進行簡單的變換。測量結(jié)果對于天線的相位中心的位置變化不太敏感，因而旋轉(zhuǎn)待測天線并不會導致明顯的測量誤差，待測天線與源天線之間的耦合和多次反射對測量結(jié)果的影響可以忽略。然而，傳統(tǒng)的遠場受地面反射波的影響較大，很難達到特別理想的測量精度。遠場測量還受周圍電磁干擾、氣候條件、有限測試距離、環(huán)境污染和物體的雜亂反射等因素的影響，已經(jīng)越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星天線等各種復雜天線的測量要求。例如，在城市環(huán)境中進行遠場測量時，周圍建筑物和其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，導致測量數(shù)據(jù)不準確；在惡劣的氣候條件下，如暴雨、沙塵等，會改變電磁波的傳播特性，也會影響測量精度。5.1.2近場測量法近場測量法是一種基于近場到遠場變換理論的天線測量方法，它通過在天線輻射近場區(qū)域采集天線近場區(qū)域輻射場的數(shù)據(jù)，再經(jīng)近場到遠場變換理論，由計算機處理得到天線的遠場特性。近場測量技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢。它不受遠場測試中的距離效應(yīng)和外界環(huán)境的影響，具有測試精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列優(yōu)點。通過合適的軟件及成熟的校準理論，能有效補償各種測量誤差，其測量精度甚至可以優(yōu)于遠場測量，也是當前高性能天線測量的主要方法之一。根據(jù)取樣面的形式，近場測量可分為平面掃描、極平面掃描、柱面掃描和球面掃描技術(shù)，其中平面近場測量使用最為普遍。在平面近場測量中，探頭在直角坐標或極坐標平面做位移，測量近場幅相分布，以此為基礎(chǔ)進行外推計算遠場天線方向圖、增益等參數(shù)。探頭天線位于待測天線的輻射近場，掃描平面距離待測天線面大約幾個波長。近場測量法也存在一定的局限性。近場到遠場變換理論要求同時已知近場幅度和相位信息，而近場掃描技術(shù)中相位信息測量難度較大。對機械系統(tǒng)、測量間距、取樣點數(shù)、濾波等需要計算機仿真優(yōu)化，以盡可能地減小測量誤差。例如，在測量過程中，不準確的探頭定位、反射、電纜移動、接收機非線性、探頭校準誤差、有限的掃描域等因素都會影響測量的精度。因此，從技術(shù)的角度來看，近場測量技術(shù)的復雜程度高，對掃描架精度和儀器的穩(wěn)定性有較高的要求。5.1.3測量設(shè)備的選擇與使用在沖擊脈沖探地雷達天線的測量中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室是常用的重要設(shè)備。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種專門用于測量各種網(wǎng)絡(luò)特性的儀器，在天線測量中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它能夠精確測量天線的電參數(shù)，如輸入阻抗、反射系數(shù)、傳輸系數(shù)等，還能測量天線的輻射參數(shù)，如增益、方向性等。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、分辨率準確度高、快速實時、使用簡捷、靈活方便等特點。在使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行天線測量時，首先要確保電源線和底線正確連接，然后開機并設(shè)定合適的功率、起始狀態(tài)和顯示參數(shù)。在進行測量之前，需要進行兩通道校準，或者調(diào)出以前校準的數(shù)據(jù)。一旦測試條件變化，如溫度、環(huán)境、測試電纜發(fā)生變化，都要進行重新校準。在測量過程中，可以將所測的數(shù)據(jù)和圖像進行調(diào)出和保存，也可以在軌跡上添加標記點作為參考的比對。為了提高測試的動態(tài)范圍而又不影響速度，必要時還需要進行分段掃描等操作。在測量天線的輸入阻抗時，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口與天線相連，設(shè)置合適的頻率范圍和掃描點數(shù)，即可得到天線在不同頻率下的輸入阻抗值，從而評估天線與饋線的匹配情況。微波暗室是一種電磁環(huán)境與外界隔離的特殊空間，為天線測量提供了理想的測試環(huán)境。它能夠有效減少外界電磁干擾對測量結(jié)果的影響，同時避免了地面反射波等雜散信號的干擾，從而提高測量的準確性和可靠性。微波暗室的內(nèi)壁通常覆蓋有吸波材料，這些吸波材料能夠吸收電磁波，減少室內(nèi)的反射波，使得暗室內(nèi)形成近似自由空間的電磁環(huán)境。在微波暗室中進行天線測量時，將待測天線放置在暗室內(nèi)的合適位置，根據(jù)測量方法的要求，如遠場測量或近場測量，設(shè)置相應(yīng)的測試設(shè)備和測量參數(shù)。在進行遠場測量時，將待測天線架設(shè)在暗室內(nèi)的支架上，在遠場區(qū)放置掃描探頭，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備進行測量；在進行近場測量時，在暗室內(nèi)搭建掃描架，安裝探頭，按照近場測量的掃描模式進行數(shù)據(jù)采集。在進行天線輻射方向圖測量時，在微波暗室內(nèi)可以更準確地測量天線在不同方向上的輻射強度，避免了外界干擾信號的影響，使得測量得到的輻射方向圖更加準確可靠。5.2實驗驗證與結(jié)果分析5.2.1實驗方案設(shè)計本次實驗旨在對優(yōu)化設(shè)計后的沖擊脈沖探地雷達天線性能進行全面驗證。實驗選用優(yōu)化后的漸變縫隙超寬帶天線作為待測天線，該天線通過在天線結(jié)構(gòu)上引入漸變縫隙設(shè)計，并結(jié)合多諧振結(jié)構(gòu)和加載技術(shù)，以實現(xiàn)超寬帶特性和良好的輻射性能。實驗步驟如下：首先，將待測天線安裝在微波暗室內(nèi)的天線支架上，確保天線安裝牢固且位置準確，使天線處于近似自由空間的電磁環(huán)境中，減少外界干擾對實驗結(jié)果的影響。連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與待測天線，通過射頻電纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口與天線的饋電端口相連，確保連接緊密，避免信號泄漏。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置掃描頻率范圍為0.5-5GHz，這一頻率范圍涵蓋了沖擊脈沖探地雷達的典型工作頻段，掃描點數(shù)設(shè)置為501個，以保證能夠準確獲取天線在寬頻帶內(nèi)的性能數(shù)據(jù)。設(shè)置完成后，啟動矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量，采集天線的S參數(shù)數(shù)據(jù)，包括反射系數(shù)S11和傳輸系數(shù)S21等，這些參數(shù)反映了天線的輸入阻抗匹配情況和信號傳輸特性。為了測量天線的輻射方向圖，在微波暗室內(nèi)的遠場區(qū)放置一個高精度的掃描探頭，掃描探頭與待測天線的距離滿足遠場條件，即距離大于2D2/λ，其中D為天線的最大尺寸，λ為工作波長。設(shè)置掃描探頭在水平和垂直平面內(nèi)以一定的角度間隔進行旋轉(zhuǎn)掃描，角度間隔設(shè)置為1°，以獲取天線在不同方向上的輻射強度數(shù)據(jù)。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量掃描探頭接收到的信號強度，記錄不同角度下的信號幅度值，從而繪制出天線在水平和垂直平面內(nèi)的輻射方向圖，直觀地展示天線的輻射特性。采用脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生高斯脈沖信號作為激勵源，該高斯脈沖信號的中心頻率為2GHz，脈沖寬度為1ns，模擬沖擊脈沖探地雷達的實際發(fā)射信號。將產(chǎn)生的高斯脈沖信號通過功率放大器放大后，輸入到待測天線進行發(fā)射。在天線的輻射方向上，使用高靈敏度的接收天線接收發(fā)射的脈沖信號，并將接收到的信號傳輸?shù)绞静ㄆ鬟M行顯示和分析。通過示波器觀察接收信號的波形，測量脈沖信號的上升時間、下降時間、脈沖寬度等參數(shù)，評估天線對脈沖信號的輻射和傳輸保真度，分析信號在傳輸過程中的失真情況。5.2.2實驗數(shù)據(jù)采集與處理在實驗過程中，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀成功采集到天線在0.5-5GHz頻率范圍內(nèi)的S參數(shù)數(shù)據(jù)。反射系數(shù)S11的測量數(shù)據(jù)顯示，在大部分頻率范圍內(nèi)，S11的值均低于-10dB，表明天線與饋線之間具有良好的阻抗匹配，信號反射較小，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能量傳輸。在1-3GHz頻段內(nèi)，S11的值穩(wěn)定在-15dB左右，說明該頻段內(nèi)天線的匹配性能尤為出色；而在0.5-1GHz和3-5GHz頻段，S11雖有波動，但仍保持在可接受的范圍內(nèi)。傳輸系數(shù)S21的數(shù)據(jù)反映了信號在天線傳輸過程中的損耗情況，在整個頻率范圍內(nèi)，S21的值相對穩(wěn)定，表明信號在傳輸過程中的損耗較小，天線能夠有效地傳輸信號。利用掃描探頭在微波暗室遠場區(qū)對天線輻射方向圖進行測量，在水平平面和垂直平面內(nèi)，以1°的角度間隔進行掃描，采集到了大量的輻射強度數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，繪制出天線在水平和垂直平面內(nèi)的輻射方向圖。從輻射方向圖中可以清晰地看出，天線在垂直于天線平面的方向上輻射較強，主瓣方向較為明顯，在主瓣方向上的輻射強度遠高于旁瓣和后瓣。在垂直平面內(nèi)，主瓣寬度約為60°，旁瓣電平低于-15dB，表明天線具有較好的方向性，能夠?qū)⒛芰考性谥靼攴较蛏陷椛洌瑴p少了能量在其他方向的分散，提高了對目標方向的探測能力。在脈沖響應(yīng)實驗中，通過示波器記錄下接收天線接收到的脈沖信號波形。對脈沖信號的上升時間、下降時間和脈沖寬度等參數(shù)進行測量，實驗測得脈沖信號的上升時間約為0.2ns，下降時間約為0.3ns，脈沖寬度約為1.2ns。與發(fā)射的高斯脈沖信號相比，接收信號的上升時間和下降時間略有增加，脈沖寬度也稍有展寬，這表明信號在傳輸過程中存在一定程度的失真，但總體失真程度在可接受范圍內(nèi)，天線對脈沖信號具有較好的保真度，能夠滿足沖擊脈沖探地雷達對脈沖信號傳輸?shù)囊?。在?shù)據(jù)處理過程中，對采集到的原始數(shù)據(jù)進行了一系列的處理和分析。對于S參數(shù)數(shù)據(jù)，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自帶的數(shù)據(jù)分析軟件進行處理，繪制出S11和S21隨頻率變化的曲線，直觀地展示天線的阻抗匹配和信號傳輸特性。在處理輻射方向圖數(shù)據(jù)時，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)繪圖軟件，根據(jù)采集到的輻射強度數(shù)據(jù)，繪制出天線在水平和垂直平面內(nèi)的輻射方向圖，并對主瓣寬度、旁瓣電平、后瓣電平以及方向性系數(shù)等參數(shù)進行計算和分析，以評估天線的輻射性能。對于脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)，使用示波器配套的數(shù)據(jù)處理軟件，對脈沖信號的波形進行分析，測量脈沖信號的各項參數(shù)，并與發(fā)射信號進行對比，計算信號的失真度和保真度指標，從而全面評估天線對脈沖信號的輻射和傳輸性能。5.2.3結(jié)果分析與與理論對比將實驗結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果進行深入對比，以驗證天線設(shè)計的合理性，并分析差異產(chǎn)生的原因。在S參數(shù)方面，實驗測得的反射系數(shù)S11與理論分析和仿真結(jié)果基本相符。在大部分頻率范圍內(nèi)，實驗值與理論值和仿真值的偏差在可接受范圍內(nèi)，這表明在天線設(shè)計過程中，對天線的阻抗匹配設(shè)計是合理的，所采用的理論分析方法和仿真模型能夠準確地預測天線的阻抗特性。在某些頻率點上，實驗值與理論值和仿真值存在一定的偏差，這可能是由于實驗過程中存在一些不可避免的誤差因素。例如，天線的實際制作工藝與理論設(shè)計存在一定的偏差，導致天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)與理論值不完全一致，從而影響了天線的阻抗特性；實驗環(huán)境中的微小電磁干擾也可能對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在輻射方向圖方面，實驗得到的輻射方向圖與理論分析和仿真結(jié)果也具有較好的一致性。主瓣方向、主瓣寬度以及旁瓣電平的實驗值與理論值和仿真值較為接近，說明天線的輻射特性在設(shè)計預期范圍內(nèi)。在旁瓣電平的某些細節(jié)上，實驗值與理論值和仿真值存在一定差異。這可能是由于在理論分析和仿真過程中，對天線周圍的復雜環(huán)境考慮不夠全面，而實際實驗環(huán)境中存在一些未知的干擾因素，如微波暗室內(nèi)吸波材料的不完全吸收導致的微弱反射等，這些因素可能會對天線的輻射方向圖產(chǎn)生一定的影響，使得旁瓣電平的實驗值與理論值和仿真值存在偏差。在脈沖響應(yīng)方面，實驗測得的脈沖信號參數(shù)與理論分析和仿真結(jié)果相比，上升時間、下降時間和脈沖寬度等參數(shù)的變化趨勢一致，但具體數(shù)值存在一定的差異。實驗測得的脈沖信號上升時間和下降時間略大于理論值和仿真值，脈沖寬度也稍有展寬，這表明實際天線在脈沖信號的輻射和傳輸過程中存在一定的信號失真，與理論和仿真