（電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）寬帶探地雷達(dá)天線的研究與設(shè)計(jì).pdf

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t s i n c et h ec o m p l e x i t yo fr e g i o na n dp a r t i c u l a r i t yo fm a n n e ro ne x p l o r a t i o n ，g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a rh a sah i g h e rr e q u i r e m e n tt h a nh an o r m a lr a d a rs y s t e m a c c o r d i n gt oa g p r p r o j e c tr e q u i r e m e n t ，a r c h i m e d e a ns p i r a la n t e n n af o rv e h i c u l a rg p r a n dh s h a p e d s l o ta n t e n n af o ra i r b o r n eg p ra r ea n a l y z e da n dd e s i g n e du s i n gf d t dm e t h o di nt h i s t h e s i s i nt h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，t h ef d t dm e t h o di sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n dt h e a n t e n n ac o m p u t i n gm o d e la r eb u i l t u s i n g i t n e a r - f i e l dc o m p u t i n gm o d e la n d n e a r f i e l dt of a r - f i e l dt r a n s f o r ma r ep r e s e n t e d r e s u l tp a r a m e t e r so ft h ef d t d p r o g r a m a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ep r o g r a mi sc h e c k e d i nt h es e c o n dp a r to ft h i st h e s i s ，t h ea f f e c to fp a r a m e t e r so fa r c h i m e d e a ns p i r a l a n t e n n at ot h ei n p u ti m p e d a n c ei sa n a l y z e db yf d t dm e t h o d ，a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so f t h ea n t e n n af o rt h ep r o j e c ti ss e l e c t e d m i c r o s t r i pb a l u ni sd e s i g n e df o rt h i sa n t e n n a b a s e do nt h ei n p u ti m p e d a n c e t h e nt h ea n t e n n ai sa c t u a l l yp r o d u c e da n dm e a s u r e d t h e e f f e c to nv s w rf o ra n t e n n ab yc h a n g i n ga b s o r b i n gs t r u c t u r e sp l a c e di n r e f l e c t i n g c a v i t yi sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i c a lr e s u l t ，an e wa b s o r b i n gs t r u c t u r ei s d e s i g n e da n da c t u a lm e a s u r e m e n ti s c a r r i e do u t t h ea p p l i c a t i o no ft h ea n t e n n ai n v e h i c u l a rg p ri si n t r o d u c e d i nt h et h i r dp a r to ft h i st h e s i s ，r a d i a l i z a t i o np r i n c i p l eo ft h eh s h a p e ds l o ta n t e n n a i sf i r s t l yi n t r o d u c e d ，a n dt h eh s h a p e ds l o ta n t e n n ai sm o d e l e du s i n gf d t dm e t h o d ，t h e a f f e c to fp a r a m e t e r so fh s h a p e ds l o ta n t e n n at ot h ei n p u ti m p e d a n c ei s a n a l y z e d a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so f t h ea n t e n n af o rt h ep r o je c ti ss e l e c t e d t h ea n t e n n aa n di t s m i c r o s t r i pb a l u ni sa c t u a l l yp r o d u c e da n dm e a s u r e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h em e a s u r e d d a t ai sa p p r o a c h i n gt ot h es i m u l a t e dd a t a ，a n di tm e e t st h er e q u i r e m e n to ft h ea i r b o r n e g p r p r o j e c t k e yw o r d s ：g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r a r c h i m e d e a ns p i r a la n t e n n a h - s h a p e d s l o ta n t e n n a 第i i 頁(yè) 困防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 表目錄 表3 1 螺旋天線參數(shù)表3 0 表3 2 天線軸比3 8 表4 1h 形天線仿真初始參數(shù)4 5 表4 2h 形天線參數(shù)4 8 第1 i i 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 圖 目錄 圖1 1機(jī)載和車載探地雷達(dá)2 圖2 1f d t d 空間網(wǎng)格單元7 圖2 2 同一網(wǎng)格不同的編號(hào)方式8 圖2 3 平面天線計(jì)算模型= 1 0 圖2 4 時(shí)域近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換中的時(shí)間延遲1 7 圖2 5f d t d 程序的流程圖2 l 圖2 6 簡(jiǎn)單單極子天線的阻抗特性一2 2 圖2 7 簡(jiǎn)單單極子天線的輻射方向圖2 2 圖3 1 平面阿基米德螺旋天線2 3 圖3 2 反射腔示意圖2 4 圖3 - 3阻抗變化圖一2 5 圖3 4 天線輻射器網(wǎng)格剖分示意圖一2 6 圖3 5 不同螺旋線寬度與間隙寬度之比對(duì)應(yīng)的輸入阻抗一2 7 圖3 6 不同內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的輸入阻抗2 8 圖3 7 不同相對(duì)介電常數(shù)對(duì)應(yīng)的輸入阻抗一2 9 圖3 8 不同螺旋增長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)的天線輸入阻抗一3 0 圖3 9 阿基米德螺旋天線的輸入阻抗31 圖3 1 0 微帶漸變巴倫結(jié)構(gòu)3l 圖3 1 l 漸變巴倫的反射損耗3 1 圖3 1 2 整體仿真時(shí)天線的電壓駐波比3 2 圖3 1 3 整體仿真時(shí)天線的輻射方向圖3 2 圖3 1 4 阿基米德螺旋天線及巴倫3 3 圖3 1 5 不同吸波材料的設(shè)置結(jié)構(gòu)3 3 圖3 1 6 單層吸波與多層吸波結(jié)構(gòu)效果對(duì)比圖3 4 圖3 1 7 三層吸波與松散吸波結(jié)構(gòu)效果對(duì)比圖3 4 圖3 1 8 不同吸波結(jié)構(gòu)下天線的電壓駐波比特性3 5 圖3 1 9 ( a ) 天線存0 5 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 6 圖3 1 9 ( b ) 天線在1 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 6 圖3 1 9 ( c ) 天線存1 5 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 6 圖3 1 9 ( d ) 天線存2 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 7 圖3 1 9 ( e ) 天線在2 5 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 7 圖3 1 9 ( d 天線存3 g h z 的垂直極化方向圖和水平極化方向圖3 7 第1 v 頁(yè) 困防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 圖3 2 0 圖3 2 l 圖3 2 2 圖3 2 3 圖3 2 4 圖4 1 圖4 2 圖4 3 圖4 4 圖4 5 圖4 6 圖4 7 圖4 8 圖4 9 圖4 1 0 圖4 1 1 圖4 1 2 圖4 1 3 圖4 1 4 圖4 1 5 圖4 1 6 超寬帶s a r 探雷地面驗(yàn)證系統(tǒng)及其測(cè)試場(chǎng)景3 9 工作原理示意圖3 9 角反射器成像圖4 0 車載g p s a r 4 0 車載g p s a r 對(duì)埋地地雷探測(cè)成像圖4 l 縫隙輻射器4 2 縫隙與偶極子一4 3 無(wú)限大平片上垂直縫隙的輻射方向圖4 3 有限大小導(dǎo)電片上的垂直縫隙在x y 平面內(nèi)的方向圖4 4 h 形縫隙天線4 4 天線輻射器參數(shù)圖一4 5 參數(shù)d 對(duì)天線輸入阻抗的影響4 6 參數(shù)x 對(duì)天線輸入阻抗的影響4 6 參數(shù)t 對(duì)天線輸入阻抗的影響4 7 參數(shù)y 對(duì)天線輸入阻抗的影響4 7 天線輻射器的輸入阻抗4 8 仿真得出的天線電壓駐波比4 9 整體仿真時(shí)天線的輻射方向圖4 9 天線實(shí)物結(jié)構(gòu)4 9 實(shí)測(cè)天線電壓駐波比曲線5 0 天線的實(shí)測(cè)方向圖5 l 第v 頁(yè) 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文題目：寶董拯墊置鯊云綾鮑硒塞皇遮過(guò) 學(xué)位論文作者簽名： 魚蘭 日期：碲 ，7 月d 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。本人授權(quán) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 文檔，允許論文被查閱和借閱：可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文 ( 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書。) 學(xué)位論文作者簽名：二篷盤占 作者指導(dǎo)教師簽名： 日期：泖湃f(wàn) f 月眵日 日期：枷年1 1 月j 日 圈防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 第一章引言 1 i 課題研究背景及意義 探地雷達(dá)( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，g p r ) ，有時(shí)又稱為表層穿透雷達(dá)( s u r f a c e p e n e t r a t i n gr a d a r ，s p r ) ，或稱之為地表穿透雷達(dá)，是目前最有前途的地下目標(biāo) 探測(cè)技術(shù)。探地雷達(dá)是利用電磁波在媒質(zhì)電磁特性不連續(xù)處產(chǎn)生的反射和散射實(shí) 現(xiàn)淺表層成像、定位，進(jìn)而定性或者定量地識(shí)別地表中的電磁特性變化，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)表層下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的設(shè)備。簡(jiǎn)單地說(shuō)，探地雷達(dá)的任務(wù)就是描述地下目標(biāo) 的幾何和物理性質(zhì)。相比其他地下目標(biāo)探測(cè)技術(shù)而言，探地雷達(dá)具有快速、高空 間分辨率、對(duì)目標(biāo)的三維電磁特性敏感等特點(diǎn)。 雖然探地雷達(dá)在探測(cè)地下目標(biāo)等方面已經(jīng)獲得了一定的應(yīng)用，但是和探空雷 達(dá)理論系統(tǒng)相比較，探地雷達(dá)理論尚未達(dá)到系統(tǒng)、成熟的階段。這主要是因?yàn)橄?對(duì)于探空雷達(dá)，探地雷達(dá)所面臨的傳播損耗、目標(biāo)特性。工作頻度、雜波特性、 近場(chǎng)條件等問(wèn)題要更加復(fù)雜。鑒于這些問(wèn)題，探地雷達(dá)的雷達(dá)方程差異涉及以下 方面：發(fā)射天線的寬頻帶增益、方向圖特性、向地面的耦合特性( 效率、頻率特 性) ，幾何擴(kuò)散損失、介質(zhì)的指數(shù)衰減、傳播過(guò)程中的介質(zhì)或目標(biāo)性質(zhì)、收發(fā)天 線的耦合，接收天線的性能等。 探地雷達(dá)的主要性能指標(biāo)包括：目標(biāo)空間分辨率；探測(cè)深度；探淺能力( 近 表層下探測(cè)能力) 。對(duì)目標(biāo)的空間分辨率包括距離向分辨率和方位向分辨率，距 離向分辨率取決于系統(tǒng)帶寬，方位向分辨率取決于中心頻率。對(duì)于無(wú)載波沖激體 制探地雷達(dá)而言，其雙極性脈沖的帶寬要求在5 個(gè)倍頻以上，否則天線的反射將 引起明顯的波形振鈴現(xiàn)象，給目標(biāo)檢測(cè)、信號(hào)處理帶來(lái)嚴(yán)重困難，從而降低距離 向分辨率。雷達(dá)探測(cè)能力與電波對(duì)地穿透能力有關(guān)，電波在地下傳播衰減的分貝 數(shù)與頻率距離積成正比，因此要求探測(cè)深度越深，信號(hào)的中心頻率就應(yīng)越低。 天線作為雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要完成電磁波的有效輻射和接收。在探地 雷達(dá)系統(tǒng)中，由于探測(cè)區(qū)域的復(fù)雜性和探測(cè)方式的特殊性，對(duì)天線要求也遠(yuǎn)比一 般雷達(dá)系統(tǒng)中的天線要高，高性能的天線是實(shí)現(xiàn)對(duì)地探測(cè)、提升測(cè)量性能的關(guān)鍵 部件之一。由于工作體制的不同和工作區(qū)域的不同，探地雷達(dá)天線要求具有寬帶 特性、微波低頻段特性、輻射波形的保真特性、天線方向特性和輻射有效區(qū)域、 收發(fā)天線隔離度等一些基本特性【j j 。 本文結(jié)合探地雷達(dá)項(xiàng)目需要，用時(shí)域有限差分方法分別分析設(shè)計(jì)了用于車載 g p r 的阿基米德螺旋天線以及用于機(jī)載g p r 的h 形縫隙天線，并胃實(shí)際制作了相 關(guān)天線，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線輻射性能良好，達(dá)到了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足了探 第1 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究中院碩士學(xué)位論文 地雷達(dá)項(xiàng)目對(duì)天線的需求。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 121 探地雷達(dá)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 0 世紀(jì)7 0 年代以來(lái)，隨著高速脈沖形成技術(shù)、取樣接收技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的 發(fā)展應(yīng)用，探地雷達(dá)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，地下淺層目標(biāo)探測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。不同 應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的性能有不同的要求，從信號(hào)形式上區(qū)分，探地雷達(dá)系統(tǒng)分 沖擊脈沖、線性調(diào)頻、步進(jìn)變頻和噪聲信號(hào)這四種體制。探地雷達(dá)的運(yùn)行平臺(tái)可 分為機(jī)載( 如圖1l ( a ) 中的瑞典c a r a b a ss a r ) 、地表車載與手持、地下鑿洞及 多洞間探測(cè)。 目前，國(guó)際上有多家公司提供面向不同應(yīng)用的探地雷達(dá)產(chǎn)品和服務(wù)，主要從 事探地雷達(dá)研究的公司及產(chǎn)品有：美國(guó)地球物理測(cè)量系統(tǒng)公司( g s s i ) s i r 系列；美 國(guó)c g c 公司的c o m p u r a d a r 系列：加拿大s s i 公司的p u l s e e k k o 系列 瑞典s g a b 公司的r a m a c 系列；日本o y o 公司的g e o r a d a r 系列及俄羅斯的l s 3 ， r a s c k n - 2 2 和s p p 等。圖l1 ( b ) 為美國(guó)陸軍試驗(yàn)場(chǎng)中的探地合成孔徑雷達(dá)( g r o u n d p e n e t r a t i n gs y n t h e t i ca p e r m r er a d a r ，簡(jiǎn)稱g p s a r ) 試驗(yàn)車”。 t 磷齲黼i 蒜1 瑟；霎囂黝翟瑟鋈? 麓。知。母艚蛾捕怨蕊蕘黧藿辮鬻 警蘸疊麟? 攀饕簿搴 ( a ) c a r a b a ss a r( b ) 關(guān)幽陸軍試驗(yàn)場(chǎng)中的g p s a r 圖l _ 1 機(jī)載和車載探地雷達(dá) 國(guó)內(nèi)對(duì)探地雷達(dá)的研究起步較晚，近年來(lái)存該領(lǐng)域內(nèi)也取得了一定的技術(shù)進(jìn) 步，不少研究單位也推出了自己的探地雷達(dá)樣機(jī)。如中國(guó)電波傳播研究所研制的 l t d 一3 探地雷達(dá)；煤炭科學(xué)總院重慶分院開發(fā)的k d l 3 、4 型礦井防爆探地雷達(dá)及 北京艾迪爾公司的c b s 一9 0 0 和c r - 2 0 0 0 探地雷達(dá)。國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程 學(xué)院在國(guó)家“8 6 3 ”項(xiàng)目的支持下開發(fā)了r a d a r e y e 探地雷達(dá)系統(tǒng)。從總體上來(lái)說(shuō)， 國(guó)內(nèi)關(guān)于探地雷達(dá)技術(shù)的研究與國(guó)外的差距較大。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在分辨率、使用方便 性、對(duì)雷達(dá)信號(hào)成像和圖像解譯技術(shù)等方面與國(guó)外產(chǎn)品存在差距。 122 探地雷達(dá)天線的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀” 第2 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 探地雷達(dá)天線作為探地雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵性部件之一，其性能將直接影響整個(gè) 雷達(dá)系統(tǒng)的揉測(cè)分辨率、定位精度及霉標(biāo)識(shí)別水半。針對(duì)不同應(yīng)用，設(shè)計(jì)具有高 方向性、寬頻帶、高發(fā)射率、體積輕便的天線成為探地雷達(dá)系統(tǒng)研制的個(gè)十分 重要的課題。 囂前在各種體制下的探地雷達(dá)中使用豹天線多種多樣，每種天線都有自己的 優(yōu)點(diǎn)和不足，任何一種類型的天線都不可能滿足探地雷達(dá)系統(tǒng)的所有要求。目前 常見的探地雷達(dá)天線主要有以下幾種形式： 圓柱行波天線1 4 j 。該天線通過(guò)電阻加載可以具有良好的輻射波形，通常工 作于頻率1 0 0 m h z 以下，主要用于深墨地下基標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別等。 碟形天線及其變形p 。引。該天線具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。碟形天線具 有多種形式，是雙向輻射的天線，使用時(shí)需要進(jìn)行屏蔽，生要用于地下目標(biāo)的檢 測(cè)及成像等。 v 型振子瓣6 l 。該天線通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娮杓虞d可具有裁好的寬帶特性，主要 用于較高頻率的探地雷達(dá)系統(tǒng)，且具有較好的方向性，主要用于地下目標(biāo)的檢測(cè) 和識(shí)別等。 t e m 喇及其變形【 啦】。該天線具有較好的時(shí)域響應(yīng)特性，僵其輻射波形 存在較大的拖尾振蕩，并且地面對(duì)天線的影響較大。文獻(xiàn) 2 0 2 1 給出了種能夠 減小地面對(duì)天線影響，并實(shí)現(xiàn)與空氣和土壤阻抗匹配的介質(zhì)加載的變形形式。 螺旋天線和對(duì)數(shù)周期天線f 2 3 粕】。螺旋天線和對(duì)數(shù)周期天線具有很寬的工作 頻帶，但是這兩種天線的時(shí)域響疲特性較差，在脈沖信號(hào)的激勵(lì)下的輻射波形存 在較多的振蕩。因此這兩種天線不適合脈沖體制的探地雷達(dá)系統(tǒng)，他們般用于 連續(xù)波頻率步進(jìn)體制下的探地雷達(dá)系統(tǒng)。 介質(zhì)天線 2 9 3 0 。該天線的輻射波形與h e r t z i a n 偶裰予天線的輻射波形相似， 與地面匹配較好，比較適合淺層精確探測(cè)需要，適用于高頻。它的缺點(diǎn)是饋電系 統(tǒng)比較復(fù)雜。 根據(jù)使用方式的不廚，探地雷達(dá)天線可以分為空氣耦合天線和地面耦合天線。 空氣耦合天線是將電磁波輻射到空氣中，在接收信號(hào)中檢測(cè)地面以及地下層狀星 標(biāo)的反射信號(hào)，常用在機(jī)載探地雷達(dá)和車載探地雷達(dá)等遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)的情況下。地面 耦合天線一般位于近地表面進(jìn)行貼地探測(cè)，它是將能量直接耦合到地下，通過(guò)檢 測(cè)接收信號(hào)判斷地下囂標(biāo)的存在。上述各季孛天線形式均可以震終地面藕合天線， 而空氣耦合天線常用t e m 喇叭及英變形或者螺旋天線和對(duì)數(shù)周期天線。 根據(jù)用戶的需簧，本文為車載合成孔徑探地雷達(dá)( g r o u n d p e n e t r a t i n gs y n t h e t i c a p e r t u r er a d a r ，簡(jiǎn)稱g p s a r ) 研究設(shè)計(jì)了阿基米德螺旋天線【3 1 3 2 1 。選擇螺旋天線 是因?yàn)樗哂袃?yōu)良的寬帶輻射特性，結(jié)構(gòu)緊湊，且易于在常覓的低成本原材料上 第3 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 加工制作。本文設(shè)計(jì)的g p s a r 天線采用的是阿基米德螺旋天線形式，該天線能夠 提供超過(guò)5 ：l 的頻率帶寬，從而能夠有效地提高雷達(dá)距離向分辨率。為滿足對(duì)探 測(cè)深度的需求，并考慮到天線的尺寸限制，設(shè)計(jì)的天線最低工作頻率達(dá)到5 0 0 m h z ； 同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)限制了天線的最高工作頻率為3 g h z 。 雖然線極化的對(duì)數(shù)周期天線( l o g p e r i o d i ca n t e n n a ) 也可以提供類似的寬帶和 低頻的輻射特性，但是一方面線極化天線反射波的大小取決于天線與被探測(cè)物體 之間相對(duì)方位角，另一方面線極化天線收發(fā)天線同極化，因而互耦比較大；而圓 極化天線收發(fā)天線之間的極化分左旋和右旋，從而減小了直耦。此外，對(duì)數(shù)周期 天線體積較大，相對(duì)而言不便于在車輛或者飛機(jī)上安裝。 對(duì)數(shù)螺旋天線同樣能夠產(chǎn)生與阿基米德螺旋天線類似的超寬帶輻射特性，這 兩種天線的形式相似。然而p e t e rr l a c k o 等人對(duì)阿基米德螺旋天線和對(duì)數(shù)螺旋天 線用于探地雷達(dá)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了對(duì)比研究 2 3 1 ，研究數(shù)據(jù)表明，同樣條件下，相 對(duì)于對(duì)數(shù)螺旋天線，阿基米德螺旋天線能夠與5 0 歐姆的傳輸線提供更好的匹配， 具有更好的時(shí)域脈沖響應(yīng)，在前2 0 納秒時(shí)間窗中對(duì)接收機(jī)雜散響應(yīng)處理具有更好 的自由度。 隨著機(jī)載探地雷達(dá)試驗(yàn)研究項(xiàng)目的確定，本文根據(jù)用戶需要，進(jìn)一步為機(jī)載 探地雷達(dá)設(shè)計(jì)了h 型天線。該天線具有剖面低、重量輕、增益高等優(yōu)點(diǎn)，在項(xiàng)目 要求的工作頻帶內(nèi)工作性能良好。 1 3 1 本文的主要工作 1 3 本文的主要工作 本文作為探地雷達(dá)項(xiàng)目工作的一部分，主要研究?jī)?nèi)容是： 為車載g p s a r 設(shè)計(jì)了一個(gè)超寬帶的阿基米德螺旋天線，并且設(shè)計(jì)了寬帶巴 倫，同時(shí)對(duì)腔體內(nèi)吸波材料的設(shè)置進(jìn)行了分析。實(shí)際制作了該天線，對(duì)天線的性 能進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明天線性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。將天線接入g p s a r 系統(tǒng)進(jìn)行 了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)效果表明，該天線具有良好的探地性能，滿足了探地雷達(dá)的設(shè)計(jì)要 求。 為機(jī)載探地雷達(dá)設(shè)計(jì)了h 形天線以及饋電巴倫，分析了該天線的工作原理， 并進(jìn)行了仿真分析；實(shí)際制作了該天線，并且對(duì)天線的性能進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié) 果表明天線達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 1 3 2 本文的章節(jié)安排 本文的內(nèi)容在章節(jié)上作如下安排： 第4 頁(yè) 圖防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 第章簡(jiǎn)單介紹了課題的研究背景及意義，并介紹了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 第二章對(duì)探地雷達(dá)天線的分析方法( 時(shí)域有限差分法，f i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i n ，簡(jiǎn)稱f d t d ) 進(jìn)行了介紹，并，目建立了基于f d t d 法的天線計(jì)算模型。 第三章對(duì)阿基米德螺旋天線的參數(shù)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上完成天線參數(shù)的 確定。根據(jù)反射腔內(nèi)吸波材料的鋪設(shè)的實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)了一種體結(jié)構(gòu)的吸波材料 設(shè)置。介紹了該天線在車載g p s a r 中的應(yīng)用。 第四章介紹了h 形天線的工作原理，分析了天線各個(gè)參數(shù)對(duì)天線輻射性能的 影響，并根據(jù)需要確定了天線的參數(shù)。最后對(duì)實(shí)際制作的天線的性能進(jìn)行了測(cè)量。 最后對(duì)所做的工作進(jìn)行了總結(jié)，展望下一步將要進(jìn)行的工作。 第5 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 第二章基于f d t d 的天線計(jì)算模型 天線作為電磁波的輻射器和接收器，遵循電磁場(chǎng)的一般規(guī)律。描述電磁場(chǎng)的 基本方程是麥克斯韋方程。天線問(wèn)題的求解可以歸結(jié)為特定邊界條件下對(duì)麥克斯 韋方程的求解，一般有時(shí)域方法和頻域方法。通過(guò)傅立葉變換，時(shí)域和頻域是相 通的。對(duì)于研究時(shí)域探地雷達(dá)天線，用時(shí)域的分析方法更為方便。本章首先對(duì)本 文中分析探地雷達(dá)天線所采用的時(shí)域分析方法時(shí)域有限差分方法進(jìn)行介紹，之 后基于f d t d 方法建立了天線計(jì)算模型。 2 1 時(shí)域有限差分方法的基本概念 時(shí)域有限差分法【3 ”】是美國(guó)學(xué)者k s y e e 于1 9 6 6 年提出來(lái)的，它將時(shí)域麥克 斯韋方程中的兩個(gè)旋度方程用二階精度的中心差分近似，從而把微分方程轉(zhuǎn)化為 差分方程。f d t d 法的求解過(guò)程如下：首先將場(chǎng)所在的空間對(duì)電磁場(chǎng)的各分量按一 定的規(guī)則離散，設(shè)在t 1，lj、lri，、lrj、，lr、lrj、lr， 困防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 g 一”圭) 叫鬈( “舢圭) + 髟( _ ，) 采用指數(shù)差分格式，系數(shù)為： ( ，+ 吉) 一 矽( ，+ 三) = 1 e x p 小+ 妒 歷( ，+ 妒 a ( 2 7 0 ) ( 扛z ，少，z )( 2 7 1 ) 屏( ，+ 三) 。，：x ，y ，z ， 。2 7 2 ， 刪一p 一半 剛憶h x p 一華) 耳( 壚專訂j ( i = 石，y ，z ) ( 2 7 3 ) ( i = x ，y ，z ) ( 2 7 4 ) 三維情況應(yīng)用p m l 吸收邊界吸收效果很好，但是層內(nèi)各節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行迭代， 交叉區(qū)域的處理復(fù)雜，對(duì)計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存都提出了較高的要求，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存要 求較大。 2 3 天線時(shí)域近遠(yuǎn)場(chǎng)變換方法 由于f d t d 方法只能計(jì)算空間有限區(qū)域的電磁場(chǎng)，要獲得天線在計(jì)算區(qū)域以外 的輻射場(chǎng)就必須進(jìn)行近遠(yuǎn)場(chǎng)變換【4 。時(shí)域近遠(yuǎn)場(chǎng)變換原理與頻域相同，也是從 等效原理出發(fā)，由包圍散射體封閉面上的切向電流和切向磁流求得遠(yuǎn)場(chǎng)，但也有 不同之處：時(shí)域計(jì)算中，源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的路程差體現(xiàn)在時(shí)間的超前或滯后上時(shí)域 近遠(yuǎn)場(chǎng)變換得到的是遠(yuǎn)場(chǎng)的時(shí)間波形；在f d t d 迭代過(guò)程中，它不像頻域場(chǎng)變換那 樣一次迭代即可完成遠(yuǎn)近場(chǎng)變換，它每一個(gè)時(shí)間步都需進(jìn)行一次近遠(yuǎn)場(chǎng)變換計(jì)算。 因此選擇合理的時(shí)域近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)變換方式，是節(jié)約計(jì)算機(jī)硬件資源的關(guān)鍵。為了節(jié) 第1 6 頁(yè) 約計(jì)算機(jī)資源，我們進(jìn)行時(shí)域近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。下面詳細(xì)介紹該方法。 等效面切向電流和切向磁流根據(jù)輸出邊界上的切向電場(chǎng)和切向磁場(chǎng)來(lái)確定。 在f d t d 迭代公式中，切向電場(chǎng)雖與等效面在同一平面，但并小在網(wǎng)格中間，而在 網(wǎng)格分界線上，因此，將網(wǎng)格中心的切向電場(chǎng)通過(guò)相鄰位置的兩切向電場(chǎng)的平均 值求得，切向磁場(chǎng)是通過(guò)與網(wǎng)格中心相鄰的四個(gè)切向磁場(chǎng)的平均值求得。 時(shí)域輻射電場(chǎng)的公式如下： 島( ，) = ( 妄4 ( r + 去未( ，) ( 2 7 5 ) 易( ， f ) = 風(fēng)( 妄厶( ) 一瓦1a a ，f ，、, 州) ) ( 2 7 6 ) = 一孑 ( 2 7 7 ) 以= 孑 ( 2 7 8 ) 式中編為自由空間波阻抗，a ( r ，t ) 和f ( r ，t ) 為自由空間時(shí)域輻射場(chǎng)區(qū)的磁矢 位和電矢位，其表達(dá)式如下： 彳( ， f ) 2 石1 f f 山( 。) 凼 ( 2 7 9 ) ，( ， f ) 2 石1 f 虬( t r ) d s ( 2 8 0 ) 式中t ，為延遲后的時(shí)間，其表達(dá)式為 ，：一型：一r-xsinocoso-ysinosin緲-zcos0(281)t tt21 = 一一= 一 1 式中c 為光速，為觀察點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，尹為觀察點(diǎn)位置單位矢量，7 為輸 出邊界上源點(diǎn)( z ，y ，z ) 的位置矢量，如圖2 4 所示。 圖2 4 時(shí)域近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換中的時(shí)間延遲 第1 7 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 根據(jù)上述公式，假設(shè)計(jì)算模型中輸出邊界面共有l(wèi) 個(gè)離散小面元，我們可以求 其對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的貢獻(xiàn)如下： 訃力= 警撲礎(chǔ)咖妒等s 觚s 妒等一等等s i n 9 9 a e o , a ， ( 2 8 2 ) 島歸警喜( c o s 矽等刪n 妒豎3 t + c o s o r s i n f a 可3 e l i 一型等l ( 2 8 3 ) 假設(shè)在f d t d 的計(jì)算程序中，先迭代磁場(chǎng)，再迭代電場(chǎng)，在同一個(gè)時(shí)闖步循 環(huán)內(nèi)，如果磁場(chǎng)的時(shí)間步是，z + 1 2 ，電場(chǎng)的時(shí)間步是n + l ，也就是說(shuō)電場(chǎng)比磁場(chǎng)落 后半個(gè)時(shí)間步。在輸出邊界面( 等效面) 上計(jì)算任意一個(gè)單元網(wǎng)格( f ，j ，k ) 對(duì)時(shí)域遠(yuǎn) 場(chǎng)的貢獻(xiàn)，由于磁場(chǎng)先迭代，首先計(jì)算等效面上切向電流( 鼯切向磁場(chǎng)) 對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的 作用，磁場(chǎng)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)如下： 割_ 棚緹。= 古( 礦( i + l 2 , j + l 2 , k m 叫2 ( i + 1 1 2 , j + l 2 , k ) ) ( 2 8 4 ) 堡o t i + l # 2 , j + 1 1 2 , k = 三a t 、y ，2 ( i + 1 1 2 , j + 1 1 2 , k ) 一礦2 ( i + l 2 , j + l 2 , k ) ) ( 2 8 5 ) 在式( 2 8 4 ) 和( 2 8 5 ) 中，掣叫心和2 是致、丑，的前一步計(jì)算值，已經(jīng)儲(chǔ)存， 而露：鐫鯰和日r 2 是當(dāng)前計(jì)算值。因此，對(duì)這兩式的處理不需要增加額外的儲(chǔ)存量。 而對(duì)于式( 2 8 1 ) ，由于f d t d 計(jì)算中時(shí)間是離散的，所以，必須換算成滯后的時(shí)間 步，即 魏如| 哆2 r 一筍。r 7r i 紐s i n g c o s 爹一，y s i n o s i n 夠一k a z c 0 s 0 一=_-d_-。_-_-h-_-。-_-_。-。_h_-_-_-_-_-_-_-_一 c a tc a t ( 2 8 6 ) 囪式( 2 8 2 ) 矛i ：i k ( 2 8 3 ) 得芏u 橢蹦邊界回上早兀格( j ，j ，意) 日習(xí)剴i 司電流珂迥區(qū)場(chǎng)陰 貢獻(xiàn)為： 蹦= 警鼬俄帥飄hn 緹川。妣唧飄編川協(xié)詹卜7 ， 蹦= 警洳爹飄琊州，豳乳獅# 】疊渤 一般來(lái)講，從輸出交界面上的源點(diǎn)( z ，y ，z ) 到觀察點(diǎn)的時(shí)間步延遲”+ 朋蜘不是 囊壘豹蘸由卜兩式計(jì)笸酌揚(yáng)分量鬟霉分配剝罄粒時(shí)聞考的位鬻。舍： 第1 8 頁(yè) 一力= i n t ( 療+ ) ( 2 8 9 ) 則： e ，。i ，n n - - - ( r t ，2 + 1 一門一) 島r + 易r ( 2 9 0 ) 易r “= ( 甩+ ，一刀刀) 易r + 島r + 1 ( 2 9 1 ) 式中等號(hào)右端的易l ，和e 葉l l 腫分別為，方向上第玎”時(shí)間步和第n n + l 時(shí)間步 己經(jīng)存在的數(shù)值。對(duì)于乜有完全類似的表達(dá)式。 在f d t d 程序中，等效面上切向電流( 即切向磁場(chǎng)) 對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的貢獻(xiàn)計(jì)算完畢后， 開始進(jìn)行電場(chǎng)迭代，之后計(jì)算輸出邊界面上切向磁流( 即切向電場(chǎng)) 對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的貢獻(xiàn)。 電場(chǎng)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)如下： 魯- - l r e + l ：2 小拋。= 古( f 川2 ( i + l 2 , j + 1 1 2 , k ) 一f 刈2 ( i + 1 1 2 , j + 1 1 2 , k ) ) ( 2 m ) 刮二縱= 扣，2 ( i + l 2 , j + 1 1 2 , k h ，2 ( i + 1 1 2 , j + l 2 , k ) ) ( 2 9 3 ) 輸出邊界面上切向磁流到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)觀察點(diǎn)時(shí)滯后的時(shí)間步用式( 2 8 6 ) 計(jì)算。由式 ( 2 8 2 ) 和式( 2 8 3 ) 得到輸出邊界面上單元格( f ，k ) 的切向磁流對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的貢獻(xiàn)為： 蹦+ l ，2 = 一等喜( c o s 緲魯e _ 甜州n 矽魯i 川讎) c 2 陰， 蹦+ l ，2 = 鍺喜( c o s 錙叩魯l 三+ | ，甜s 鈾s 妒等- eif+re+拋l2一，。(295， 同樣撐+ 1 2 + 紇加不是整數(shù)，而由上兩式計(jì)算的場(chǎng)分量需要分配到整數(shù)時(shí)間步 的位置，令： n n = i n t ( 阼+ l 2 + ) ( 2 9 6 ) 則： 局l ，= ( 以刀+ 1 2 - 刀一) 易c + + 坨+ g 。k n ” ( 2 9 7 ) e 叫1 州= ( 廳+ 協(xié)+ 1 2 - 療力) g 哳n + + 陀+ e n n + 1 ( 2 9 8 ) 同式( 2 9 0 ) 和式( 2 9 1 ) - - t - 4 ，式中等號(hào)右端的e 1 1 7 1 和易i ：，+ 1 分別為，方向上第，z 玎 f # i i g j # # $ f j 第n n + 1 時(shí)間步己經(jīng)存存的數(shù)值。對(duì)于乞有完全類似的表達(dá)式。 在實(shí)際的程序中，對(duì)于每個(gè)時(shí)間步循環(huán)，計(jì)算一次等效面上所有單元網(wǎng)格 切向電流和切向磁流對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的貢獻(xiàn)。由于等效面各單元網(wǎng)格與所要計(jì)算的遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn) 第1 9 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 之間的距離是不一樣的，這樣等效面各單元惻格到遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)之間時(shí)間延遲也不一樣。 因此，在同一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，等效面上切向電流和切向磁流對(duì)一段時(shí)間步內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng) 有貢獻(xiàn)，這段時(shí)間步的長(zhǎng)度就是等效面上到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)最大延遲時(shí)間和最小延遲時(shí) 間之差，作為遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)間長(zhǎng)度上的儲(chǔ)存比這個(gè)時(shí)間步差略微長(zhǎng)一點(diǎn)就可以滿足要求。 在f d t d 程序全部執(zhí)行完畢，遠(yuǎn)場(chǎng)的時(shí)域波形也計(jì)算完畢。 2 4 天線參數(shù)提取 完成天線近遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算之后，就需要利用得到的電場(chǎng)和磁場(chǎng)去求天線的相關(guān)參 數(shù)，也就是程序的后處理。本節(jié)首先介紹天線的相關(guān)參數(shù)，然后給出求解相關(guān)參 數(shù)的方法。 2 4 1 天線的相關(guān)參數(shù) ( 1 ) 輻射方向圖 天線輻射電磁波是有方向性的，它表示天線向一定方向輻射或者接收電磁波 的集中程度。以天線為中心、某一距離為半徑作球面，按照球面上各點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度 與該點(diǎn)所在方向角而畫出的對(duì)應(yīng)圖形，就是天線的方向圖。它顯示出天線的在不 同方向輻射的相對(duì)大小。方向圖包含有許多波瓣，其中包含最大輻射方向的波瓣 稱為主瓣。其它依次稱為第- - n 瓣，第- n 瓣等。我們通常用垂直平面和水平平 面上表示不同方向輻射( 或接收) 電磁波功率大小的曲線來(lái)表示天線的方向性。同時(shí) 用半功率點(diǎn)之間的夾角表示了天線方向圖中的水平波束寬度及垂直波束寬度。 ( 2 ) 輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連 接最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻月等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒(méi)有 功率反射。實(shí)際上只能做到天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩，天線的匹配 工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性 阻抗。因此我們關(guān)心天線的輸入阻抗以及傳輸線的特性阻抗等參數(shù)。匹配的優(yōu)劣 一般用四個(gè)參數(shù)來(lái)衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和反射損耗，四個(gè)參數(shù)之 間有固定的數(shù)值關(guān)系，關(guān)系式為： i v , - 等2 籌 億蚋 l p 2 i r l = 一2 0 1 0 9 l f ，i ( 2 1 0 0 ) ( 2 1 0 1 ) 第2 0 頁(yè) 圍防科學(xué)技術(shù)火學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 其中p 為駐波比( v s w r ) ，k 為行波系數(shù)，雎為反射損耗，r ，為反射系數(shù)。 在天線輸入端l = s 且有關(guān)系式： s - 吒= 精 ( 2 1 0 2 ) z 加為輸入阻抗，z 。為特性阻抗。通常使用哪一個(gè)參數(shù)多是根據(jù)習(xí)慣。通常用 的較多的是駐波比和反射損耗。 2 4 2 天線參數(shù)的提取 本文第2 2 節(jié)中己經(jīng)介紹了時(shí)域近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)對(duì)一次f d t d 計(jì)算得到 的天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的時(shí)域數(shù)值，再對(duì)其進(jìn)行傅立葉變換( f f t ) ，就可以得到所關(guān)心頻 段內(nèi)任一頻率點(diǎn)的方向圖。 對(duì)于平面天線，如圖2 3 所示，在帶狀線兩基板之間加高斯脈沖e ，激勵(lì)，通 過(guò)f d t d 迭代，在一定時(shí)間步之后獲取反射信號(hào)，通過(guò)傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換 到頻域，并通過(guò)與頻域的入射信。g - 之比得到天線輸入端的s ，即反射系數(shù)，并根 據(jù)參數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系方程( 2 9 9 ) 、( 2 1 0 0 ) 、( 2 1 0 1 ) 、( 2 1 0 2 ) 求得天線 的輸入阻抗、輸入電壓駐波比等參數(shù)。 2 5 計(jì)算模型驗(yàn)證 前文已經(jīng)介紹了天線近遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算方法和天線參數(shù)的提取方法。程序的流程圖 如圖2 5 所示。為了驗(yàn)證程序的正確性，用同樣的f d t d 法對(duì)簡(jiǎn)單單極子天線的參 數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算中取天線的長(zhǎng)度為1 2 5 m ，天線半徑為o 0 0 9 1 5 5 m 。 圖2 5f d t d 程序的流程圖 第2 l 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 天線的輸入阻抗結(jié)果如圖2 6 所示。左圖為電抗曲線，右圖為電阻曲線。計(jì)算 得到的阻抗特性與理想單極天線的阻抗特性符合較好，從圖中可以看出在電長(zhǎng)度 約為o 2 5 時(shí)，該天線的電抗值趨于0 ，此時(shí)的電阻也比較小，月在電長(zhǎng)度為o 2 5 附近電阻變化較??；在電長(zhǎng)度約為o 5 時(shí)，電抗值趨于o ，而此時(shí)的電阻為最大值， 此處曲線變化較陡。 圖2 6 簡(jiǎn)單單極子天線的阻抗特性 天線在糾無(wú)= 0 5 時(shí)的輻射方向圖如2 7 所示。左圖為e 面歸一化方向圖，右 圖為h 面歸一化方向圖，從圖中可以看出，計(jì)算得到的天線方向圖與理想單極子 天線的輻射方向圖符合較好。 1 9 09 0 2 7 02 7 0 圖2 7 簡(jiǎn)單單極子天線的輻射方向圖 本章介紹了基于f d t d 的天線計(jì)算模型，從上述兩個(gè)算例可以看出，本文建 立的計(jì)算模型是有效的，可以用來(lái)對(duì)探地雷達(dá)天線的性能進(jìn)行仿真計(jì)算。 第2 2 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 第三章阿基米德螺旋天線的分析及其在探地雷達(dá)中的應(yīng)用 在上一章中介紹了基于f d t d 法的天線計(jì)算模型并日對(duì)程序進(jìn)行了驗(yàn)證。 本章中將對(duì)阿基米德螺旋天線進(jìn)行仿真分析，研究天線的阻抗特性，給出仿真方 向圖，完成天線的設(shè)計(jì)。在天線的實(shí)際制作過(guò)程中，研究了腔體吸波材料的鋪設(shè) 方式對(duì)天線輻射性能的影響。此外，還介紹了天線在探地雷達(dá)中的應(yīng)用。 3 1 平面阿基米德螺旋天線及巴倫的概念 311 平面阿基米德螺旋天線的概念 平面阿基米德螺旋天線1 3 t - 3 2 可以用制作p c b 電路的方式制作在平面介質(zhì)板材 上。它是由兩條阿基米德螺旋線構(gòu)成的天線。阿基米德螺旋線的方程為： ，= r o + d 忉一釓j( 3 1 ) 式中的r 為曲線上任意一點(diǎn)到極坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，妒為方位角為起始角，r o 為 螺旋線起始點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，口為螺旋增長(zhǎng)率。在式( 31 ) 中分別取吼；0 和吼= 石， 即可得到兩條對(duì)稱的阿基米德螺旋線，結(jié)構(gòu)如圖3l 所示。阿基米德螺旋天線通常 用印刷技術(shù)印制在介質(zhì)基板上，并使金屬螺旋線的寬度等于兩條螺旋線問(wèn)的間隔 寬度，以形成自互補(bǔ)天線。阿基米德平面螺旋天線不是一個(gè)嚴(yán)格意義上的非頻變 天線，因?yàn)樗膸缀谓Y(jié)構(gòu)并不滿足自相似條件。但只要參數(shù)n 和口及天線的總長(zhǎng)度 取得適當(dāng)，并在其末端接吸收電阻或吸波材料，則可使這種天線具有很寬的工作 帶寬。 ，寸，一，7 ； 圖3 l 平面阿基米德螺旋天線 阿基米德螺旋天線的工作原理可以用有效輻射區(qū)的概念來(lái)描述。有效輻射區(qū) 是指天線的某螺旋區(qū)間，遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)主要取決于這部分的電流。有敬輻射區(qū)出 現(xiàn)在螺旋長(zhǎng)度大約為一個(gè)波長(zhǎng)附近的區(qū)域。從饋電端到有效輻射區(qū)的f 界電流以 第2 3 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)火學(xué)研究牛院碩士學(xué)位論文 傳輸線模式存在，這部分所產(chǎn)生的場(chǎng)對(duì)遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)沒(méi)有太大的影響，在有效輻射 區(qū)上界的外部螺旋區(qū)域，由于電流很快的衰減( 從饋電點(diǎn)到一個(gè)波長(zhǎng)大約衰減 2 0 d b ) ，因此失去了輻射能力。所以整個(gè)天線在輻射性能上與無(wú)限長(zhǎng)螺旋線的輻 射性能幾乎是相同的，對(duì)于不同的工作頻率，由于波長(zhǎng)不同，有效輻射區(qū)位置也 不同。 有效輻射區(qū)的形成原理如圖3 1 所示。螺旋的兩條臂在點(diǎn)a 和b 處進(jìn)行平衡 饋電，相位差為y ，則從a 點(diǎn)沿一條螺旋線繞至p 點(diǎn)的長(zhǎng)度，等于從b 點(diǎn)沿另一 條螺旋線繞至q 點(diǎn)的長(zhǎng)度，p 、q 兩點(diǎn)同在以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心，半徑為r 的圓周上， 但p 、q 兩點(diǎn)的相位是相反的。當(dāng)相鄰兩點(diǎn)p 、p 的間距a t - 很小時(shí)，從p 點(diǎn)沿螺旋 線到a 點(diǎn)的長(zhǎng)度，與從p 點(diǎn)沿另一條螺旋線到b 點(diǎn)的長(zhǎng)度相差約半個(gè)波長(zhǎng)，這樣 一來(lái)，p 、p 兩點(diǎn)電流的相位差為石+ ( 2 x 兄) 乃r 。如果r = 2 2 1 r ，則兩點(diǎn)間的相 位差為2 1 r ，即p 、p 。兩點(diǎn)的電流同相。由于相鄰兩線上的電流同相，在天線平面 的法向上形成最大輻射。也就是說(shuō)周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)的那些