一种用于步进频率探地雷达的新型阿基米德螺旋天线的制作方法

本发明属于步进频率探地雷达的设计领域，特别涉及一种用于步进频率探地雷达的阿基米德螺旋天线装置。

背景技术：

探地雷达是用频率介于100MHz～4000MHz的高频带电磁波来确定地下介质分布的一种高效地球物理方法；目前主流的探地雷达工作方式主要有两种，一种是时域脉冲机制的探地雷达，一种是步进频率机制的探地雷达，时域脉冲机制的探地雷达相较步进频率机制的探地雷达在信号处理方面有明显的优势，但是很难兼顾到分辨率和穿透深度，而步进频率机制的探地雷达可以很好的兼顾这两点。

按搭载平台来分，探地雷达分为车载、机载以及人力拖动等；工作场合也相对多样，有山地、平原、沙漠甚至冰川；用途也十分广泛，如城市建筑探测、地雷探测、考古探测、矿产探测、人员搜救等；因此设备体积越小越好。为保证探地雷达的穿透性，步进频率探地雷达一般选择波长较长的波段，同时为保证高的分辨率，雷达必须拥有较宽的带宽，天线作为雷达系统最重要的部件之一，一款小型化的超宽带天线是步进频率探地雷达性能的重要保障。

阿基米德螺旋天线是平面宽带天线的一种，具有结构简单、宽频带、辐射性能好等特点，是探地雷达系统中常见的天线。目前主流的两种阿基米德螺旋天线有方形的阿基米德螺旋天线和圆形的阿基米德螺旋天线，二者各有优缺点，基于能带理论方形的阿基米德螺旋天线较圆形的阿基米德螺旋天线在相同工作频率的情况下尺寸要小22％左右，圆形的阿基米德螺天线在高频段圆极化性能要明显优于方形阿基米德螺旋天线，因此结合二者的优点研制一款小型化、圆极化性能好，宽频带、高定向性、适合于各类载台的步进频率探地雷达的阿基米德螺旋天线是十分有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种用于步进频率探地雷达的小型化、宽频带、高定向性的阿基米德螺旋天线，天线工作频率为250MHz～1600MHz，天线尺寸不大于300mm×300mm，轴比小于3dB,方向图良好，增益不小于3dB，回波损耗S11小于-10dB。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于步进频率探地雷达的新型阿基米德螺旋天线，包括介质基板、天线臂、吸波材料、反射腔、非平衡-平衡馈电巴伦及同轴接头；其特征在于，所述天线臂为四角均带切角的方形双臂螺旋天线片，所述切角呈等腰直角三角形，切角的角度由中心向外以步进0.5～5°/圈依次递减、起始角度不大于45°；所述四角均带切角的方形双臂螺旋天线片在双臂距离末端最小工作频率四分之一波长处均加载有末端电阻。

进一步的，所述天线臂的臂宽不小于2mm，臂间间距与臂宽的比值为0.5～1.5。

进一步的，所述天线臂设置于介质基板上，所述介质基板设置于反射腔顶端，所述反射腔内部侧壁涂覆吸波材料，所述介质基板中心位置开设天线馈电口，所述反射腔底端中心位置开设过孔，所述非平衡-平衡馈电巴伦依次通过天线馈电口与过孔将天线臂与同轴接头相连实现电连接。

需要进一步说明的是，本发明所述四角均带切角的方形双臂螺旋天线片，其中切角呈等腰直角三角形，如图3所示，切角角度表示切角两端点到天线片中心点连线形成的夹角θ；臂间间距与臂宽的比值为即为：L1：L2＝0.5～1.5。

本发明根据基于阿基米德螺旋天线的辐射特性，不同区域辐射不同频率的电磁波，由内而外频率从高到低，辐射区域的天线臂周长等于该区域辐射的电磁波波长，故方形天线与圆形天线相比相同工作频率下尺寸降低22％左右，但是方形天线的轴比性能较圆形天线差，因此本发明在方形天线的基础上加切角，既能保证天线的轴比性能又尽可能的减小了天线尺寸，采用反射腔实现天线的单向辐射，采用匹配巴伦，实现不平衡---平衡馈电。

本发明的有益效果在于：

1)本发明天线臂采用四角均带切角的方形双臂螺旋天线片，从而使得天线的整体尺寸小，结构紧凑，天线尺寸长×宽不大于300mm×300mm；

2)本发明天线根据不同的辐射区域采取变化的切角大小，既保证了天线的辐射性能又最大可能的降低了天线的尺寸；

3)本发明天线使用反射腔并在腔体内部的侧壁贴吸波材料，降低了侧壁对天线相对高频工作波段的影响，在实现天线定向辐射同时保证了天线相对高频工作波段的良好辐射波形；

4)本发明天线在末端加载电阻，减弱甚至消除“振铃效应”从而减小了天线的末端反射，有效的改善了回波损耗性能；

5)本发明天线的工作频带宽，在250MHz～1600MHz的频带范围内回波损耗小于-10dB，拥有超宽的带宽。

附图说明

图1为本发明新型阿基米德螺旋天线的结构俯视图；

图2是本发明新型阿基米德螺旋天线的结构侧视剖面图；

图3为本发明天线臂的局部放大示意图；

其中，1为天线馈电口，2为天线臂，3为介质基板，4为非平衡-平衡巴伦，5为过孔，6为吸波材料，7为巴伦固定装置，8为同轴SMA接头，9为反射腔，10为加载电阻，11为切角。

图4是本发明实施例中新型阿基米德螺旋天线的仿真回波损耗(S11)曲线坐标图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。

本实施例提供一种用于步进频率探地雷达的新型阿基米德螺旋天线，其结构如图1、图2所示，包括介质基板3、天线臂2、吸波材料6、反射腔9、非平衡-平衡馈电巴伦4及同轴接头8；所述天线臂2设置于介质基板3上，所述介质基板3设置于反射腔顶端9，所述反射腔9内壁涂覆吸波材料6，所述介质基板3中心位置开设天线馈电口1，所述反射腔9底端中心位置开设过孔5，所述非平衡-平衡馈电巴伦4依次通过天线馈电口1与过孔5将天线臂2与同轴接头8相连实现电连接；所述同轴接头8通过巴伦固定装置7固定与反射腔9上；所述天线臂2为四角均带切角的方形双臂螺旋天线片，如图3所示，所述切角呈等腰直角三角形，切角的角度由中心向外以步进1.04°/圈依次递减、起始角度37°；所述四角均带切角的方形双臂螺旋天线片在双臂距离末端最小工作频率四分之一波长处均加载有末端电阻；天线臂的臂宽为2mm，臂间间距与臂宽的比值为0.5，天线尺寸为长×宽为300mm×300mm、圈数为23圈。

本实施例中，在敷铜的Arlon AR 450或相似电参数介质板材上，使用精度较高的刻蚀工艺如光刻技术，刻蚀出方形切角天线臂2；吸波材料6贴附于反射腔9的内部侧壁上，将天线基片3使用强力胶固定于反射腔9顶端，将非平衡-平衡巴伦4穿过反射腔过孔5并使用巴伦固定装置7固定在反射腔9上，然后将其与天线臂2焊接起来，再在其末端焊接同轴SMA接头8，以实现同轴SMA接头8至非平衡-平衡巴伦4再到方形切角天线臂2的电连接。

本实施例中，反射腔采用铜质或者铝质等导电性好的材料，腔体长宽与基片共形，高度为最大工作波长的四分之一左右，腔体内部侧壁贴上一层最低工作频率不小于600MHz的吸波材料；末端加载电阻，在天线双臂距离末端最小工作频率四分之一波长左右之处将天线臂断开，使用电阻将其连接起来，完成末端电阻加载。

如图4所示为上述新型阿基米德螺旋天线的仿真回拨损耗(S11)曲线图，在250MHz～1600MHz频带范围内回波损耗小于-10dB，显示出天线具有良好的宽带特性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。