时域天线在无载波脉冲探地雷达中的理论及应用研究

论文摘要

论文对无载波脉冲探地雷达时域天线的相关理论和关键技术进行了全面研究,明确了时域天线的一些重要概念,指出了时域天线在设计思路和分析方法上与频域天线的不同,并提出了时域天线波形保真与阻抗匹配的新概念。在此基础上,明确了无载波脉冲探地雷达对时域天线的具体要求。在综合比较国内外现有探地雷达时域天线的基础上,成功研制了一种新型的电阻加载的加脊TEM喇叭脉冲天线,并用它对埋地典型目标进行了计算仿真和实验研究。理论分析与实际应用都证实本文研制的探地雷达时域天线具有辐射波形好、辐射效率高、背向和侧向辐射小、收发天线间隔离度高等特点,且结构简单,体积小,重量轻,满足了探测地下浅层目标的基本要求。论文的内容分为两大方面:第一方面从理论上阐述了无载波脉冲探地雷达时域天线的重要概念和设计分析理论。第二方面从应用角度出发解决天线实际工作方式下的关键技术问题。理论方面:论文首先对时域天线的波形保真这一重要概念进行系统总结和研究,通过收发天线传递的时域信号指出波形保真性的概念。并且从频域互易定理出发推导出同一副天线用作发射时和用作接收时波形的关系。指出了时域天线和超宽带天线的区别。在详细讨论了波形保真概念的基础上,结合自己的设计经验,首次概括了无载波脉冲探地雷达对时域天线的基本要求。指出了时域天线和频域天线在理论设计及分析方法上的不同。更正了一些文献中用频域阻抗匹配的观点来分析设计时域天线的错误观点。在比较了三种喇叭天线的辐射特性的基础上,提出时域阻抗匹配的新观点,结合时序的概念用波模理论给出了合理解释。通过数值计算发现了时域加载天线和频域稳态加载天线性能的重要区别,清楚地说明了加载对瞬态辐射和稳态辐射作用完全不同。应用方面针对同轴线对平行双线的平衡转换,成功设计了两种新型的时域巴仑,对巴仑中的不同结构采用不同的馈电分析模型,首次从时域的概念出发详细讨论了巴仑对时域天线的阻抗匹配、电流平衡及辐射波形等方面的影响。系统地研究了加载平面偶极蝶形振子类和TEM喇叭类天线的仿真计算及试验研究问题。成功研制了一种加载电阻的介质脊TEM喇叭天线,这种天线的一个重要特点是结构上有一块金属底板,这样不仅避免了不平衡馈电,不需要附加任何额外的巴仑,而且能够实现较好的单向辐射性。另一个重要特点是在天线的金属底板和斜板之间加载有劈形介质脊。它对于电磁场有聚合和导向作用,使场集中于劈中传向前方,前方辐射增强,侧向耦合场相对减弱。同时这种方式可以增大收发天线的“脚印”重叠区域,从而使目标信号增加。利用它进行了地下典型目标——点目标、管线目标、面目标的散射回波的理论仿真和系统实验,试验结果表明该天线具有超宽带、辐射波形好、辐射效率高、背向和侧向辐射小、收发天线间隔离度高等特点,能成功应用于探地雷达系统样机,满足了探测地下浅层目标的基本要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 课题研究的背景与意义
• §1.2 探地雷达时域天线国内外的研究现状
• §1.3 论文的主要研究内容结构及章节安排
• 第二章 无载波脉冲探地雷达时域天线的基本概念
• §2.1 时域天线的波形保真性
• §2.1.1 引言
• §2.1.2 发射天线的波形保真
• §2.1.3 接收天线的波形保真
• §2.1.4 时域接收天线与发射天线的关系
• §2.2 时域天线和超宽带天线的区别
• §2.3 无载波脉冲探地雷达对时域天线的基本要求
• §2.3.1 接收信号的保真性要求
• §2.3.2 收发天线的超宽带特性要求
• §2.3.3 微波低波段性
• §2.3.4 辐射有效区要求
• §2.3.5 减小直耦波的要求
• §2.4 小结
• 第三章 无载波脉冲探地雷达天线的分析方法
• §3.1 频域方法
• §3.2 时域方法
• §3.3 有耗色散媒质的FDTD算法
• §3.4 广义完全匹配层—GPML
• §3.5 时域算法和频域算法的比较
• §3.6 FDTD算法减少内存的措施
• §3.7 算法的验证模型
• §3.8 小结
• 第四章 平面蝶形偶极振子天线
• §4.1 简单平面蝶形天线
• §4.2 集中加载的蝶形振子
• §4.3 分布加载蝶形振子
• §4.4 两种新型时域超宽带巴仑的设计与研究
• §4.4.1 渐变线的反射系数表达式
• §4.4.2 开口式同轴渐变的巴仑
• §4.4.3 由微带线渐变的巴仑
• §4.5 收发天线的互耦
• §4.6 小结
• 第五章 时域TEM喇叭天线
• §5.1 时域TEM喇叭阻抗匹配新概念
• §5.1.1 引言
• §5.1.2 理论分析
• §5.2 加载电阻的TEM喇叭
• §5.2.1 不加载的TEM喇叭
• §5.2.2 分布加载的TEM喇叭
• §5.2.3 天线的方向图及辐射波形
• §5.3 不同天线组合方式对直耦信号和目标回波的影响
• §5.4 介质脊的加载
• §5.5 收发天线直接波耦合
• §5.6 小结
• 第六章 地下目标的时域散射特性研究
• §6.1 高斯微分脉冲在土壤中的传播
• §6.2 能量的反射
• §6.3 若干典型目标的电磁散射特性分析
• §6.3.1 点目标的反射规律
• §6.3.2 埋地金属管道的电磁散射特性
• §6.3.3 分层介质的电磁散射特性
• §6.4 小结
• 第七章 结束语
• §7.1 主要研究内容和结论
• §7.2 主要创新点
• §7.3 进一步的研究方向与方法
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表及撰写的博士论文