用于水利检测的穿墙雷达天线设计

1、研究背景

水利工程在保障区域防洪安全和促进经济发展中具有战略地位，其建设质量需遵循严格标准[1][2]。根据中国水利管理机构规定，大型水利工程必须由甲级资质机构实施专业检测，中小型工程则需乙级资质机构承担，以确保工程投运后可靠发挥灌溉、航运、防洪等核心功能。随着工程规模扩大，传统水下结构检测方法面临严峻挑战[3] ：试验法受限于深水环境无法全面评估材料力学性能；测量法的破坏性取样损害结构完整性；目测法依赖主观经验且精度不足。三者均难以解决深水区错检、漏检问题，制约了质量管控效能。

为突破此瓶颈，探地雷达（GPR）技术自 1974 年应用于土木工程、1990 年代引入国内以来，凭借非接触式无损探测、高分辨率成像及多介质穿透能力，逐渐成为水利工程质量检测的关键手段。该技术通过发射特定频段电磁波（典型范围 900MHz-2.5GHz）[4]，解析混凝土内部反射信号特征，可精准识别钢筋分布、脱空区域、结构裂缝及底板掏空等隐蔽缺陷。其具有无损诊断和智能判读的优势。

探地雷达系统通过发射电磁波实现对墙体内部结构的探测。由于墙体介质具有电磁损耗特性（导电率o≠0） ），其能量衰减强度显著高于空气介质。当电磁波穿透此类有耗介质时，波幅将随穿透深度呈指数规律衰减，其衰减行为由介质本构参数决定的衰减常数α 主导，具体满足：

E（z）=E₀⋅e^-αz

其中，为入射波振幅，Z 为穿透深度，衰减常数α 的表达式为[5] ：

上述关系可表示为 E 从上式可以看出，低频具有较小的衰减和色散。而高频可以提供更好的分辨率来识别小尺寸的物体。因此，探地雷达天线必须满足宽带技术要求。

本文基于上述原理和要求，本文设计了一款具有大反射地板的蝶形天线，实现了天线的宽带和高增益的要求。改天线的工作在0.8-3GHz 频段，最大增益为6.72，外形尺寸为。

天线设计和仿真结果

蝶形天线凭借超宽带特性、结构简洁性及低成本制造优势，已成为探地雷达系统的核心辐射器件。其天线的基本结构如下图1 所示：

图 1 蝶形天线

其性能由两个关键几何参数主导，张角直接决定天线工作带宽，张角增大可扩展高频覆盖，臂长制约最低谐振频率，臂长增加可增强低频穿透能力。其公式如3、4 所示：

其中 λ 对应于天线的最低截止频率波长。上方公式给出了天线张紧角的变化导致蝴蝶结天线的输入阻抗的变化，因此可以通过改变天线张紧角来获得不同的输入阻抗。

（a） 天线俯视图 （b） 天线仰视图

（c） 整体侧视图

（d） 反射板结构图图 2 天线结构图

天线如下图 2 所示，本文在传统的天线形式的基础上，提出了一款椭圆形蝶形贴片天线，将椭圆形印刷到FR-4 介质基板上，该天线采用对拓形式，采用同轴探针进行馈电，减少了天线的平衡馈电巴伦结构，使天线结构更加简单。表1 给出了天线的结构参数，使用电磁仿真对结构进行了建模分析

表 1 天线参数设置

天线反射系数如图 3 所示，仿真数据显示，该天线在 0.8-3GHz 频带范围内具有良好的阻抗匹配特性，且在高频段仍保持持续改善的匹配趋势。

图 3 天线的 S11 参数

图 4 天线方向图

图 4 所示天线方向图表明，该设计在目标频段内具备稳定的定向辐射特性，完全满足穿墙雷达在墙体检测频段的指向性要求。天线增益如图5 所示；带内最大增益为7.34dB。

图 5 天线实际增益图

本文基于传统Vivaldi 天线的宽频带高增益特性，设计并构建了一款0.8GHz-3GHz 的大地板蝶形天线天线。利用高频电磁场仿真软件 CST，对天线的模型结构参数进行了精细的优化仿真。仿真结果显示该 Vivaldi 天线具备宽频带和高增益的优势，在 0.8GHz～3GHz 的频段内，其回波损耗基本控制在 -8dB 以下，这种蝶形天线有望在在大坝混凝土缺陷无损雷达探测的研究应用领域作为候选天线。

参考文献

[1] 刘强 ， 王超 . 探地雷达技术在水利工程质量检测中的应用研究 [J]. 工程技术研究 ，2022，7（20）：20-22.OI：10.19537/j.cnki.2096-2789.2022.20.007.

[2] 周振广 ， 祖梦琦 . 探地雷达法在水工隧洞衬砌隐蔽缺陷检测中的应用 [J]. 水利水计 ，2024，43（04）：64-68.

[3] 曲直 . 地质雷达在水工隧洞回填灌浆质量检测中的应用 [J]. 大坝与安全 ，2017，（06）：79-82.

[4] 张军 ， 姜文涛 ， 张云 ， 等 . 基于极限梯度提升和探地雷达时频特征的水泥路面脱空识别 [J]. 同济大学学报（ 自然科学版 ），2024，52（01）：104-114+121.

[5]G. Yang， S. Ye， Y. Ji， X. Zhang and G. Fang，“Radiation Enhancement of an Ultrawideband UnidirectionalFolded Bowtie Antenna for GPR Applications，”in IEEE Access， vol. 8， pp. 182218182228， 2020.

[6]G. Li， Li， J. Mi， Y. He and T. Wang，“Design of ultra-wideband folded antenna for ground penetrating radar，”2020 IEEE 1st China International Youth Conference on Electrical Engineering （CIYCEE）， Wuhan， China， 2020， pp. 1-5

[7] 彭涣欢 ， 熊艳晔 ， 李高升 . 一种用于探地雷达的超宽带阿基米德平面螺旋天线 [C]// 中国电子学会 .2023年全国天线年会论文集 （ 上 ）. 湖南大学 ; 海军指挥学院 ;，2023：515-517.DOI：10.26914/c.cnkihy.2023.094491.