（陕西长岭电子科技有限责任公司 陕西宝鸡 721006）
摘要：探地雷达作为无损检测，由于其可精准对获取地下整体信息，使得探地雷达在地质探测中得到了广泛的应用。通过现场实际情况来看，在探地雷达的各组件中，天线设计的好坏将直接影响探测精度。因此，本文在对探地雷达天线的原理进行了介绍的基础上，对TEM喇叭天线的在工作原理进行了分析，同时对结构上进行了设计。TEM喇叭天线设计与其他天线形式相比，优势明显，其够提供更高的增益的同时具有单向辐射特性脉冲特性，且振铃效应小。通过全文分析，可为雷达探地天线的设计提供参考，具有重要的实际意义。
关键词：探地雷达；天线设计；原理分析；TEM喇叭天
Design and research of ground penetrating radar antenna
Abstract: Ground Penetrating Radar (GPR) is widely used in geological exploration because it can accurately obtain the whole underground information. According to the actual situation, the antenna design will directly affect the detection accuracy in the components of GPR. Therefore, based on the introduction of the principle of GPR antenna, this paper analyzes the working principle of TEM horn antenna, and designs its structure. Compared with other antenna forms, TEM horn antenna has obvious advantages, such as providing higher gain, unidirectional radiation pulse characteristics and small ringing effect. Through the analysis of the full text, it can provide reference for the design of radar ground penetrating antenna, which has important practical significance.
Key words: Ground Penetrating Radar； antenna design； principle analysis； TEM horn antenna
引言
在实际工程地质探查过程中，通过一定的技术手段来了解土层结构以及地下物体对于提高工程质量具有重要的意义。目前工程中最为常用的方法为钻探，钻探可以直接了解土层分布，但也容易破坏钻探位置的地下结构。同时对地质探测中，利用声学或者振动进行检测也是地质检测中的重要方向，但利用声波或振动进行地质检测不能够精准提供地下细节与定位。因此，能够在无损的前提下，获取地下信息成为地下勘察的新方向。
在此情况下，探地雷达作为无损检测方式被提出，并吸引了各专业学者对此进行了研究。探测雷达可以获取地下整体信息以及可以对地成像，使得探测雷达成为最优的探测方法。在探地雷达的各组件中，天线设计的好坏将直接影响探测精度，同时由于对地勘察的地形复杂多样，天线在设计上存在较大的难度。因此，本文对探地雷达天线进行设计研究，对于提高雷达探地的测精度具有重要的意义。
1探地雷达及其天线
1.1 探地雷达
如图1所示，为探地雷达的原理框图。探地雷达在进行地质勘察时，其首先将产生并发射一个n_s级的脉冲信号，产生的脉冲信号通过天线辐射到空气中，变成自由的空间波，空间波在空气中以电磁的形式进行传播，当在传输的过程中，遇到不连续的的面时，空间波将会产生反射和透射，发射回来的波再通过电线将信号传递给接收器，接受器对传回来的波进行处理后，便可得到探测的地质深度以及地质信息，通过显示器得到处理后的结果。
.png)
图1 工作原理图
1.2 探地雷达天线
所谓探地雷达天线从定义上一般可以定义为其是在自由空间上的电磁波以及传输线上的信号转换器，发射天线将探地雷达发出来的信号转化为空间上的电磁波，接收天线则是将空间上反射回的电磁波转化为传输的线信号，从功能上来讲，其是探地雷达的眼睛，其性能的好坏将严重影响到探地雷达的探测精度。同时，在实际工程中，通常采用方向图、增益、S参数、增益，工作频率等对探测电线进行评价。
2 TEM 喇叭天线设计
2.1 TEM 喇叭天线的基本原理
通常，探地雷达所使用的TEM喇叭天线于其他天线相比较，其在使用过程中具有明显的优势。首先，从设计上，TEM喇叭天线相比于其他电线而言，其属于超宽带电线。其次，在TEM喇叭天线的整个超宽带的工作频率范围之内，其余其他电线相比，在同等条件下，能够获得更高的增益，同时具有单向辐射特性。因此在没有其他屏蔽措施的前提下，其能够做到纺织信号的干扰，提高获取数据的准确度。此外，在工作过程中TEM喇叭没有色散效应，其波形在传输过程中具有良好的脉冲特性，产生的振动相对较小。从结构上来看，探地雷达所用的TEM喇叭形天线，其在设计上通常采用两片成V字型的金属板组合而成，其结构形式如图2所示。TEM喇叭天线的辐射场可利用惠更斯原理由口面场来计算。口面场则由喇叭的口面尺寸与传播波型所决定。可用几何绕射理论计算喇叭壁对辐射的影响，从而使计算方向图与实测值在直到远旁瓣处都能较好地吻合。TEM喇叭天线的辐射特性由口面的尺寸与场分布决定，而阻抗由喇叭的颈部（始端不连续处）和口面的反射决定。当喇叭长度一定时，若使喇叭张角逐渐增大，则口面尺寸与二次方相位差也同时加大，但增益并不和口面尺寸同步增加，而有一个其增益为最大值的口面尺寸，具有这样尺寸的喇叭就叫作最佳喇叭
.png)
图2 喇叭天线结构示意图
图3 TEM 喇叭天线的结构图
通过上述方程可以看出，在在TEM喇叭天线的设计过程中，想要电线传输可以辐射出较为稳定的磁场强度，如何更好的匹配阻抗设计是整个TEM喇叭天线的设计的难点与关键，在匹配过程中，需要考虑配合的部分主要包含两方面。其一为传输线和TEM喇叭连接处的阻抗匹配；其二为天线口径和自由空间接触处的阻抗匹配。对于对空耦合探地雷达天线系统，天线口径处的阻抗应等于空气中的特征阻抗。鉴于空气中的电率较小，在实际设计过程中空气的阻抗我们可以近似的取377欧姆，另一方面，天线由同轴电缆馈电，同轴电缆的阻抗为 50Ω，而天线特性阻抗一般不为50Ω，天线设计过程中应解决馈电处失配的问题，通常采用的方法是逐步改变天线阻抗以减小反射，从而减小电压驻波比，此种设计方式能够提高天线的辐射效率。
2.2 TEM喇叭天线的结构设计
TEM喇叭天线主在结构示意图如图3所示，从结构上来看，其主要是由三部分组成，首先，第一部分是馈电部分，天线采用同轴电缆馈电，同轴电缆的外导体与上脊相连，内导体穿过上脊和下脊连接；其次，第二部分是天线的主体部分，由两块金属板呈V形放置构成TEM喇叭；第三部分是指数型脊部分，脊曲线采用指数型曲线，可对馈电点和短路背板之间的两脊间距进行调节，能够优化带宽。
3 小结
天线作为探地雷达系统中发射和接收信号的设备，其性能对探地能力有直接影响，对此本文TEM喇叭天线的设计难点与原理进行了设计分析。TEM喇叭天线设计与其他天线形式相比，优势明显，其够提供更高的增益的同时具有单向辐射特性脉冲特性，且振铃效应小。因此通过本文对探地雷达天线进行设计研究，对于提高雷达探地的测精度具有重要的意义。
参考文献
[1]尹诗,郭伟.用于探地雷达的超宽带天线设计与仿真[J].电子设计工程,2018,26(003):98-102.
[2]郭晨,张安学,刘策.一种末端加载型300MHz/1GHz双频车载超宽带探地雷达天线设计[J].电讯技术,2013(08):1069-1073.
[3]付彦志,闫传祥,赵海明.一种低频屏蔽式探地雷达天线设计[C]//中国电子学会,2017.
[4]郭晨,刘策,张安学.探地雷达超宽带背腔蝶形天线设计与实现[J].电波科学学报,2010,25(002):221-226.
[5]曾文波,余逸风,李向阳.一种探地雷达蝶形天线及其巴伦的设计[J].制造业自动化,2014,000(002):96-98.