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电磁引流材料及其在高增益探地雷达天线中的应用研究

电磁引流材料及其在高增益探地雷达天线中的应用研究

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作者：郭敏杰中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

随着21世纪人类城市建设的加快以及对自然环境的深入探索,对常用探测工具——探地雷达的探测深度提出了更高的要求。由于现阶段探地雷达增益较低,多只能对浅层地质结构进行探测,故有必要大幅度提升探地雷达的增益。天线作为探地雷达的... 详细信息

随着21世纪人类城市建设的加快以及对自然环境的深入探索,对常用探测工具——探地雷达的探测深度提出了更高的要求。由于现阶段探地雷达增益较低,多只能对浅层地质结构进行探测,故有必要大幅度提升探地雷达的增益。天线作为探地雷达的信号收发器件,通过结合人造电磁材料,能够在保证天线基本结构较小变动的条件下实现目标性能的提升。电磁引流材料,由于其具有不同于电磁透镜、电磁隔离器和反射器等的轻便性,在提升馈源天线增益、改善天线方向性上具有积极效果。本文将从单元结构设计开始探索研究电磁引流材料对探地雷达天线的性能改善作用,进而揭示该类人造电磁材料的作用机制。本文的研究内容与完成的工作如下:（1）均匀电磁引流材料在新型探地雷达天线中的应用研究。本节设计得到了一款加载均匀电磁引流材料的抛物线槽线对拓Vivaldi天线。仿真和实测结果显示,该天线在1.5-8GHz工作频带内最大增益为16.5 d Bi,天线在H面上的半功率波束宽度得到一定缩减,但E面缩减幅度较小,性能提升多集中在3-8 GHz的中高频段。（2）渐变电磁引流材料在新型探地雷达天线中的应用研究。本节基于指数曲线设计得到了一款加载横向渐变电磁引流材料的新型对拓Vivaldi天线,在1-11 GHz工作频段实现了17.67 d Bi的最大增益。天线在1-3 GHz范围内增益得到明显提升,但增幅仍旧较小,且半功率波束宽度缩减在E面上呈片段化分布。为解决上述问题,本节后续设计得到了一款加载层间渐变电磁引流材料的新型探地雷达天线。测试结果显示,该天线工作频带为1-8GHz,最大增益18.2 d Bi,天线在E面和H面上的半功率波束宽度得到有效缩减,减幅均匀且大于前文测试结果。但该结构在大幅提升天线性能的同时也造成了天线体积的扩大,限制了天线的应用。（3）电磁引流材料及透镜在新型探地雷达天线中的应用研究。本节设计得到了一款同时加载电磁引流材料和透镜的椭圆槽线对拓Vivaldi天线。通过引入透镜结构,在1-8 GHz内实现了18.81 d Bi的最大增益,提升幅度为9 d B,天线在E面和H面上的半功率波束宽度得到较大幅度缩减,天线性能最优。本文通过采用不同结构的电磁引流材料,使得探地雷达天线在目标频段内的天线增益获得大幅提升、天线方向性获得较大改善,电磁引流材料的可行性和实用性得到验证,能够为现阶段提升探地雷达深层探测能力提供改进思路,具有一定的实用意义。

关键词：探地雷达天线电磁引流材料增益方向性

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