一种用于高速公路探地雷达的新型时域超宽带TEM喇叭天线

尹德; 叶盛波; 刘晋伟; 纪奕才; 刘小军; 方广有

doi:10.12000/JR17004

一种用于高速公路探地雷达的新型时域超宽带TEM喇叭天线

DOI: 10.12000/JR17004

尹德^1,2, ,,
叶盛波^1,,
刘晋伟^1,2,,
纪奕才^1,2,,
刘小军^1,,
方广有^1,2,

①.
中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室北京 100190
②.
中国科学院大学北京 100049

基金项目: 北京交通行业科技项目（7C1405473）

详细信息

作者简介:
尹　德(1993–)，男，湖北黄冈人，中国科学院电子学研究所硕士研究生，研究方向为天线设计、雷达信号处理。E-mail: yinde14@mails.ucas.ac.cn

叶盛波(1983–)，男，湖北武汉人，中国科学院电子学研究所副研究员，研究方向为无载频脉冲探测雷达新技术、无载频脉冲探测雷达系统研制。E-mail: sbye@mail.ie.ac.cn

刘晋伟(1993–)，男，山西忻州人，中国科学院电子学研究所硕士研究生，研究方向为雷达发射机的设计。E-mail: liujinwei14@mails.ucas.ac.cn

纪奕才(1974–)，男，山东青岛人，中国科学院电子学研究所研究员，主要研究方向为超宽带雷达、超宽带天线、电磁场数值计算、电磁兼容。E-mail: ycji@mail.ie.ac.cn

刘小军(1972–)，男，山东烟台人，中国科学院电子学研究所研究员，主要研究方向为超宽带雷达技术、信号与信息处理。E-mail: lxjdr@mail.ie.ac.cn

方广有(1963–)，男，河南人，中国科学院电子学研究所研究员，博士生导师，主要研究方向为超宽带雷达成像理论与技术、探地雷达技术、地球物理电磁勘探技术、月球/火星探测雷达技术、超宽带天线理论与技术、 THz成像技术等。E-mail: gyfang@mail.ie.ac.cn

通讯作者:
尹德 yinde14@mails.ucas.ac.cn

计量
- 文章访问数: 2953
- HTML全文浏览量: 707
- PDF下载量: 589
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2017-01-05
- 修回日期: 2017-08-05
- 网络出版日期: 2017-12-28

Novel Time-domain Ultra-wide Band TEM Horn Antenna for Highway GPR Applications

Yin De^{1,2
, ,},
Ye Shengbo^1
,,
Liu Jinwei^{1,2
,},
Ji Yicai^{1,2
,},
Liu Xiaojun^1
,,
Fang Guangyou^{1,2
,}

①.
Key Laboratory of Electromagnetic Radiation and Sensing Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
②.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Funds: Beijing Transportation Industry Science and Technology Project (7C1405473)

摘要

摘要:
基于传输线理论和阻抗渐变思想，采用指数渐变结构及加载技术，对应用于高速公路探地雷达的超宽带TEM喇叭天线进行了设计和优化，分析了不同延展面条件下的驻波特性，应用金属反射腔和分布式电阻加载，进一步改善天线性能，并根据最佳仿真结果制作了一副天线。天线的测试结果表明：该TEM喇叭天线在0.9–12.6 GHz的带宽内电压驻波比小于2，波形保真性好。应用于高速公路探地雷达，取得了较好的效果。
- 超宽带 /
- 喇叭天线 /
- 指数渐变 /
- 延展面
Abstract:
Based on transmission line theory and impedance transition, we design an ultra-wideband Transverse ElectroMagnetic (TEM) horn antenna that takes advantage of index gradient structure and loading techniques and is optimized for highway Ground Penetrating Radar (GPR) applications. We use numerical simulation to analyze the effects of different curved surfaces as an extension of the antenna and further improve the antenna performance by the use of a metallic reflective cavity and distributed resistor loading. We then fabricated an antenna based on the optimization results and determined the Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) of the antenna to be less than 2 for bandwidths ranging from 0.9–12.6 GHz. The waveform fidelity of the antenna is also good and when we applied this antenna to highway scenarios, it achieved good results.
- Ultra-wide band /
- Horn antenna /
- Index gradient /
- Surface extension

HTML全文

图 1 天线立体图

Figure 1. Cubic structure of antenna

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 天线平面结构

Figure 2. Plane structure of antenna

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 馈电巴伦

Figure 3. The feed balun

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 新型指数函数

Figure 4. New exponential function

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 天线的输入阻抗

Figure 5. Antenna input impedence

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 电压驻波比

Figure 6. Voltage standing wave ratio

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 增益曲线

Figure 7. Antenna gain

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 加载延展面的天线结构

Figure 8. Structure of antenna with extention

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 4种结构电压驻波比

Figure 9. VSWR of four kinds of structure

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 不同数目锐化角结构

Figure 10. Structure of antenna with different sharping edges

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 3种锐化角结构电压驻波比

Figure 11. VSWR of structure of three kinds of sharpening edge

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 加载电阻和反射腔

Figure 12. Loading-resistance and reflection cavity

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 不同阻值下电压驻波特性

Figure 13. VSWR under different resistors

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 14 天线样机图

Figure 14. Antenna prototype photo

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 15 天线电压驻波比曲线

Figure 15. VSWR curves of optimized and real antenna

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 16 输入脉冲波形

Figure 16. Waveform of input pulse

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 17 天线时域波形

Figure 17. Antenna transient waveform

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 18 高速公路应用

Figure 18. Highway application

下载: 全尺寸图片幻灯片

参考文献(14)

[1]	邓超, 谢拥军. 平面渐变开槽天线的改进设计[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2011, 23(1): 48–52. DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2011.01.010 Deng Chao and Xie Yong-jun. Improved design of the planar tapered slot antennas[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition), 2011, 23(1): 48–52. DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2011.01.010
[2]	纪奕才, 贺秀莲, 刘其中, 等. 加载螺旋天线的优化设计[J]. 西安电子科技大学学报(自然科学版), 2002, 29(6): 721–724, 780 Ji Yi-cai, He Xiu-lian, Liu Qi-zhong, et al. Optimal design of loaded helical antennas[J]. Journal of Xidian University(Natural Science Edition), 2002, 29(6): 721–724, 780
[3]	Uduwawala D, Norgren M, Fuks P, et al. A deep parametric study of resistor-loaded bow-tie antennas for ground-penetrating radar applications using FDTD[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2004, 42(4): 732–742. DOI: 10.1109/TGRS.2003.819442
[4]	郭玉春, 史小卫. 高效电阻加载天线理论研究[J]. 电波科学学报, 2007, 22(2): 276–280 Guo Yu-chun and Shi Xiao-wei. Theoretical study of high efficiency resistive loading antenna[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2007, 22(2): 276–280
[5]	Li Jing, Zhu X Y, Wang M X, et al.. A new design of TEM horn antennas for pulse radiation[C]. Proceedings of 1997 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, Hong Kong, China, 1998: 629–631.
[6]	吴秉横, 纪奕才, 方广有. 带反射腔的分布式电阻加载探地雷达天线设计与分析[J]. 雷达学报, 2015, 4(5): 538–544. DOI: 10.12000/JR15070 Wu Bing-heng, Ji Yi-cai, and Fang Guang-you. Design and analysis of the distributed resistor-loading GPR antenna with reflected cavity[J]. Journal of Radars, 2015, 4(5): 538–544. DOI: 10.12000/JR15070
[7]	刘培国, 刘克成, 何建国. 恒束宽双极化加脊喇叭天线设计[J]. 微波学报, 1998, 14(3): 233–237 Liu Pei-guo, Liu Ke-cheng, and He Jian-guo. Design of constant beamwidth double-polarized ridged horn[J]. Journal of Microwaves, 1998, 14(3): 233–237
[8]	Shao Jin-jin, Fang Guang-you, Fan Jing-jing, et al. TEM horn antenna loaded with absorbing material for GPR applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014, 13(5): 523–527.
[9]	Bauer M and Bernard D. Conformal transformations and the SLE partition function martingale[J]. Annales Henri Poincaré, 2004, 5(2): 289–326. DOI: 10.1007/s00023-004-0170-z
[10]	王友成, 邵金进, 纪奕才, 等. 末端开槽超宽带天线的研究[J]. 电波科学学报, 2015, 30(3): 510–516. DOI: 10.13443/j.cjors.2014060301 Wang You-cheng, Shao Jin-jin, Ji Yi-cai, et al. Analysis on multi-slot tuned ultra-wideband antenna[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2015, 30(3): 510–516. DOI: 10.13443/j.cjors.2014060301
[11]	Wu Bing-heng, Ji Yi-cai, and Fang Guang-you. Analysis of GPR UWB half-ellipse antennas with different heights of backed cavity above ground[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010, 9: 130–133.
[12]	Taylor J D. Ultra-Wideband Radar Technology[M]. Boca Raton: CRC Press, 2000.
[13]	夏正欢, 张群英, 叶盛波, 等. 一种便携式伪随机编码超宽带人体感知雷达设计[J]. 雷达学报, 2015, 4(5): 527–537. DOI: 10.12000/JR15027 Xia Zheng-huan, Zhang Qun-ying, Ye Sheng-bo, et al. Design of a handheld pseudo random coded UWB radar for human sensing[J]. Journal of Radars, 2015, 4(5): 527–537. DOI: 10.12000/JR15027
[14]	梁福来, 李钊, 安强, 等. 脉冲式超宽带生命探测雷达时间抖动抑制[J]. 雷达学报, 2015, 4(4): 439–444. DOI: 10.12000/JR14115 Liang Fu-lai, Li Zhao, An Qiang, et al. Suppression of time-domain jitter of impulse radio ultra-wide band radar[J]. Journal of Radars, 2015, 4(4): 439–444. DOI: 10.12000/JR14115