劉永濱，張季娜，杜 華，徐 哲，王 冠

(1.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?燃?xì)饧夹g(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150010；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 概述

市政地下管線是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，隨著城市的快速發(fā)展，存在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)圖紙破損、標(biāo)志物遺失、標(biāo)志物不明等現(xiàn)象，導(dǎo)致部分管道連接關(guān)系不明、位置失蹤，給管道維護(hù)帶來極大不便，給周圍居民帶來嚴(yán)重的安全隱患，查明地下管道位置具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

近年來，高密度電阻率法、地震映像法、瞬變電磁法等眾多物探方法被應(yīng)用在城市勘察中。由于城市環(huán)境中存在大量瀝青、混凝土路面或者狹小場(chǎng)地，物探方法在城市使用過程中受到了極大的限制，而探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)作為一種淺地表目標(biāo)探測(cè)方法，具有小型化、使用場(chǎng)景多元化、無損探測(cè)等多方面優(yōu)點(diǎn)。探地雷達(dá)向探測(cè)區(qū)域發(fā)射電磁脈沖，脈沖信號(hào)在地層傳播時(shí)，由于介質(zhì)的變化會(huì)產(chǎn)生不同的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)，部分能量被反射回地面，對(duì)回波信號(hào)做進(jìn)一步分析，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測(cè)、識(shí)別和定位[1]。因此，探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探[2]、工程質(zhì)量檢查[3]、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查[4]等領(lǐng)域，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

發(fā)射天線和接收天線是探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，用于發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，其性能對(duì)探地雷達(dá)的探測(cè)能力產(chǎn)生決定性的影響。本研究設(shè)計(jì)了一種高指向性、超寬帶的天線，并通過軟件仿真模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等手段，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的超寬帶天線的工作帶寬及信號(hào)收發(fā)特性，為埋地聚乙烯管探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

2 探地雷達(dá)的工作原理

探地雷達(dá)的工作原理為：發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波脈沖信號(hào)，地下介質(zhì)及目標(biāo)將電磁波反射，反射電磁波被接收天線接收，見圖1。接收天線將接收到的反射電磁波信號(hào)傳遞給采樣系統(tǒng)，采樣系統(tǒng)處理后形成探測(cè)區(qū)域的雷達(dá)成像圖[5]。電磁波入射到探測(cè)區(qū)域時(shí)，在不同介質(zhì)的分界面處會(huì)產(chǎn)生反射和透射，兩層介質(zhì)之間介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的差別越小，界面損耗越小，透射出去的能量越大[6]。

圖1 探地雷達(dá)的工作原理

發(fā)射天線和接收天線的工作帶寬是探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的重要參數(shù)。不同類型的天線具有不同的工作帶寬，工作帶寬不同的天線發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的能力不同[7-11]。發(fā)射天線工作帶寬越寬，代表其工作范圍越大，但是其在工作帶寬中的每個(gè)工作點(diǎn)的輻射能量越??；接收天線工作帶寬越寬，代表其接收信號(hào)的能力越強(qiáng)，但接收的噪聲信號(hào)也越多，后期信號(hào)處理的難度越大。因此，優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理工作帶寬是天線設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)的超寬帶天線具有低色散的輻射特性，不具備良好的輻射能力，因此，設(shè)計(jì)一款輻射能力良好的超寬帶天線具有重要的實(shí)際意義和工程價(jià)值。

3 超寬帶天線設(shè)計(jì)與測(cè)試分析

3.1 超寬帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目要求和技術(shù)原理分析，本研究對(duì)工作頻率在200 MHz左右的Vivaldi天線進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善天線輻射性能，提升天線輻射增益，使得天線具有較高的輻射功率，增加探測(cè)深度。

Vivaldi天線是一種平面天線，結(jié)構(gòu)見圖2，介質(zhì)基板的上表面為天線的收發(fā)主體結(jié)構(gòu)，由逐漸張開的指數(shù)型曲線槽形成錐削槽輻射臂，指數(shù)型曲線槽從饋源點(diǎn)到末端口徑逐漸展寬，形成類似喇叭口的結(jié)構(gòu)，沿著展寬的方向?qū)崿F(xiàn)阻抗變換。介質(zhì)基板的下表面通過微帶線與同軸電纜相連。Vivaldi天線是一種典型的行波天線，電流沿著槽線附近不斷向前流動(dòng)，末端的電流反射非常微弱，理論上可以具有很寬的阻抗帶寬，在探測(cè)雷達(dá)工程中有很多應(yīng)用。

圖2 Vivaldi天線結(jié)構(gòu)

選定天線的預(yù)期工作頻率在200 MHz左右，在該頻率下，天線的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)當(dāng)和系統(tǒng)的饋源信號(hào)相匹配。因此，天線的設(shè)計(jì)主要考慮以下方面。

① 選擇合適的介質(zhì)基板材料。綜合考慮制造工藝、加工成本、材料特性等多方面因素，本研究采用FR-4材料作為介質(zhì)基板，相對(duì)介電常數(shù)為4.3，介電損耗角正切為0.025，厚度為1 mm。

② 設(shè)計(jì)并優(yōu)化Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，天線的寬度b1受到指數(shù)型曲線槽的開口方向和延伸方向的影響，一般取最低頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/2左右，而指數(shù)型曲線槽的延伸長(zhǎng)度L一般需要大于最低頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，并且當(dāng)L增加時(shí)，天線的方向性會(huì)有所提升。因此，利用CST電磁仿真軟件對(duì)天線的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行仿真模擬研究，優(yōu)化并確定天線的尺寸。

③ 確定信號(hào)饋源部分的結(jié)構(gòu)尺寸?？紤]到電磁波信號(hào)通過微帶線與同軸電纜相連，因此要考慮中心頻率處的特征阻抗能夠與饋源相匹配。一般諧振腔的周長(zhǎng)取中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4左右。

按照以上設(shè)計(jì)步驟，在CST電磁仿真軟件中優(yōu)化確定工作頻率在200 MHz的Vivaldi天線的最優(yōu)尺寸，優(yōu)化后的天線尺寸見表1。考慮到饋線處的阻抗應(yīng)與直接相連的50 Ω同軸電纜相匹配，通過理論計(jì)算及仿真優(yōu)化，微帶線寬度設(shè)計(jì)為1.88 mm。利用電路板印刷工藝加工的Vivaldi天線實(shí)物見圖3。

表1 優(yōu)化后的Vivaldi天線尺寸

圖3 Vivaldi天線實(shí)物

3.2 超寬帶天線性能測(cè)試與分析

① 頻域工作帶寬測(cè)試與分析

回波損耗是表示天線發(fā)射效率的重要參數(shù)，回波損耗越大，天線輻射效率越差。利用中國(guó)電科院第41所的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(設(shè)備型號(hào)：AV36580A)對(duì)天線的性能進(jìn)行測(cè)試，將仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，見圖4。根據(jù)天線信號(hào)要求，一般回波損耗小于-10 dB的頻率才可作為工作頻率，用于信號(hào)的收發(fā)。從圖4可以看出，天線實(shí)測(cè)的工作頻率為160～530 MHz，絕對(duì)帶寬為370 MHz，相對(duì)帶寬為107%；仿真模擬的工作頻率為170～590 MHz，絕對(duì)帶寬為420 MHz，相對(duì)帶寬為110.5%。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)對(duì)超寬帶天線的定義，超寬帶天線為相對(duì)帶寬大于20%或者絕對(duì)帶寬大于500 MHz的天線。可見，所設(shè)計(jì)的天線滿足超寬帶天線的定義。另外，從圖4可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果的工作頻率范圍略小于仿真結(jié)果，并且向低頻偏移。分析認(rèn)為，加工誤差、測(cè)試環(huán)境以及電學(xué)阻抗匹配對(duì)所設(shè)計(jì)的天線性能的影響在可接受范圍內(nèi)。

圖4 Vivaldi天線回波損耗仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

② 時(shí)域信號(hào)測(cè)試與分析

在CST電磁仿真軟件中，在天線主輻射方向正前方距離1 m處設(shè)置信號(hào)探針，信號(hào)探針收到的天線發(fā)射信號(hào)仿真圖譜見圖5。根據(jù)文獻(xiàn)[12]的計(jì)算方法計(jì)算，可得天線發(fā)射信號(hào)的保真系數(shù)為78.70%，拖尾度為2.9%，幅度峰值為46.095 V。

在實(shí)驗(yàn)室搭建天線檢測(cè)平臺(tái)，將發(fā)射天線與接收天線間隔1 m相對(duì)放置，將信號(hào)源通過衰減器連接到發(fā)射天線，將接收天線連接Tektronix示波器(型號(hào)：DPO 70604)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境見圖6。接收天線接收信號(hào)實(shí)測(cè)圖譜(軟件截圖)見圖7。由于測(cè)試時(shí)裝配有2個(gè)天線，獲取的結(jié)果是發(fā)射天線和接收天線共同工作時(shí)接收到的回波，相當(dāng)于源信號(hào)經(jīng)過了2次微分，理想的波形主脈沖應(yīng)該是一個(gè)二階的高斯脈沖信號(hào)。對(duì)比圖5和圖7可以發(fā)現(xiàn)，仿真圖譜與實(shí)測(cè)圖譜的形狀并不完全相同，但二者在時(shí)間寬度上基本一致，單從圖上來看接收天線實(shí)測(cè)信號(hào)并未發(fā)生太大畸變，但實(shí)測(cè)信號(hào)相比仿真信號(hào)存在2個(gè)幅度略高的拖尾信號(hào)，拖尾信號(hào)幅度相比主幅值較小。這與天線的印刷工藝形成的電磁耦合振蕩以及測(cè)試環(huán)境有關(guān)，但誤差并不嚴(yán)重，在工程可接受范圍內(nèi)。

圖5 天線發(fā)射信號(hào)仿真圖譜

圖7 接收天線接收信號(hào)實(shí)測(cè)圖譜(軟件截圖)

圖8 探測(cè)系統(tǒng)裝配

4 工程驗(yàn)證

為了方便現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，將接收天線和發(fā)射天線裝入利用3D打印的ABS塑料外殼中，裝配見圖8，將接收天線和發(fā)射天線平行置于外殼兩側(cè)，并用卡槽固定。在整體結(jié)構(gòu)中間用碳纖維板對(duì)整體框架結(jié)構(gòu)加以固定并隔開，在上側(cè)蓋板內(nèi)放置信號(hào)源和天線信號(hào)連接頭，分別連接到發(fā)射天線和接收天線上，用于饋源信號(hào)的輸入和接收信號(hào)的輸出。在天線與這些部件之間同樣采用碳纖維板分隔，并在中間的空隙處填充吸波材料以降低天線之間的直接耦合，提升信號(hào)隔離度。

圖9 探地雷達(dá)成像圖

在城市相對(duì)開闊、干燥的環(huán)境下，在混凝土路面上對(duì)所設(shè)計(jì)的探地雷達(dá)天線進(jìn)行探測(cè)性能驗(yàn)證，得到的探地雷達(dá)成像圖見圖9。該路面下方埋有DN 160 mm的聚乙烯管道，設(shè)計(jì)埋深為1.2 m。從圖9可以看出，該超寬帶天線在干燥的城市環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)約5 m的探測(cè)深度，可有效識(shí)別埋深約為1 m的聚乙烯管道，滿足工程需求。

5 結(jié)論

根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)了工作頻率為200 MHz、探測(cè)深度可達(dá)5 m的Vivaldi超寬帶天線，通過CST電磁仿真軟件仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的天線的頻域工作帶寬特性和時(shí)域信號(hào)特性，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。通過在城市環(huán)境中實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的天線在工程實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的探測(cè)性能滿足工程需求。