传统Vivaldi 天线在大坝混凝土缺陷无损雷达探测的研究应用

引言

近年来，我国水利基础设施建设取得显著进展，取得了诸多历史性成就。而大坝作为水利枢纽的关键构筑物，其承担着调控水资源、防治洪涝灾害、保障农业灌溉、清洁能源以及改善航运条件等多项重要功能。在不同的大坝类型中，沥青混凝土心墙堆石坝因其卓越的防渗性能和优异的变形适应性而备受关注，现已成为主流坝型之一，展现较高的应用价值。

沥青混凝土心墙是堆石坝的核心防渗结构，其施工质量直接关乎大坝安全。因此，确保心墙质量至关重要 [1]。现行常规检测主要依赖现场钻孔取样结合室内试验进行评定。然而，该方法存在样本代表性不足、随机性大等固有缺陷。此外，心墙分层分段施工形成大量层间缝与段间缝等结合面。传统钻孔取样在检测部位与数量上均难以有效覆盖这些关键薄弱区域，局限性显著[2]。

随着现代科技的快速发展，无损检测作为一种先进的评估手段，依托现代仪器设备，通过分析材料的声学、光学、电磁学及热力学等物理特性，采用非破坏性方式获取被测对象的内部结构特征、材料性能参数以及潜在缺陷等信息。相较于传统破坏性检测方法，该技术具有显著优势：首先，能够保持被测构件的完整性；其次，可实现全断面检测；再次，支持重复连续监测；最后，具有较高的工作效率和经济性。在水利工程实践中，典型的无损检测方法包括地质雷达探测技术、电阻率层析成像技术以及超声脉冲检测技术等 [3]。

而探地雷达检测技术是一种基于电磁波传播原理的无损检测方法。该方法通过向介质中发射高频电磁脉冲，分析电磁波在不同介电常数特性的介质中传播规律，利用反射波的波形、振幅及相位等特征参数，实现对被测对象内部结构的非破坏性检测。该技术具有以下显著优势：检测过程连续无损、工作效率高、操作便捷 [4]。凭借这些特点，探地雷达技术已成为水利工程领域，特别是大坝结构安全监测和质量评估中的重要检测手段。而在探地雷达测试过程中，如果可以使用超宽带天线，就可以避免频繁更换天线的问题，并且使用超宽带天线可以保证系统的探测深度，而使用高增益的天线可以提升系统成像的分辨率，提高系统探测的准确性[5]。

本文研究了一种一款可以用于雷达探测技术发射端的 Vivaldi 天线。利用高频仿真软件CST， 仿真制作了传统 Vivaldi 天线，结果表明该天线可以在 0.8-8.5Ghz 内工作 ， 增益最高可以达到10dBi 以上。

1 传统 Vivaldi 的理论分析

传统 Vivaldi 天线的典型结构如图 1 所示。介质基板双面均覆有金属层，其中一面包含馈电系统与辐射单元，另一面则作为接地平面 [6]。图 1 中虚线框内展示的是微带线 - 槽线馈电网络，该网络由三部分组成：四分之一波长阻抗变换段、扇形微带开路枝节以及圆形槽线谐振单元 [7][8]。图1 实线框内所示为辐射单元，主要包括导波槽线段和指数渐变辐射槽线段，这两个结构共同实现对电磁波能量的有效约束。

图 1 传统 Vivaldi 天线结构图

传统Vivaldi 天线的槽线方程为：

（1）

C = y2ea1 2 − y1ea1x1

式（1）中 y₁ 和 y₂ 代表渐变槽线的曲线， y₁ 和 y₂ 轴对称， a₁ 与 a₂ 代表槽线曲率，（ x₁， y₁） 与 分别代表 y₁ 渐变槽线曲线的起始点与终止点。

2 Vivaldi 天线模拟仿真

本小节首先研究设计了一款的超宽带传统 Vivaldi 天线，为了进一步拓展其带宽 ， 对其不断优化调整，最终将最低工作截止频率拓展至 0.8GHz。表一是该天线经过优化出来的结构参数。

表 1 Vivaldi 天线的结构参数

图二 （a） 和图二（b） 分别本文设计的天线的正面辐射单元和背面馈线结构。正面结构中，渐变槽线曲线 y₁ 的方程为：

而 y₂ 的方程与 y₁ 轴对称，对此可以对该天线进行建模仿真。

3 Vivaldi 天线的结果分析

本小节对上述建模仿真的 Vivaldi 天线进行结果分析，图三为天线的 S11 参数，其在 0.8GHz-8.5GHz 均能小于 -10dB，其在工作频段内能有较小的回波损耗，其中心频率在4.65GHz，频带宽度有7.7GHz，相对频带宽度达到了 166% ，其能达到宽频带的效果。

图3 天线的回波损耗

图四是该天线在不同频率下的 E 面和 H 面方向图，其最大辐射方向都是沿着槽线的方向进行辐射的，而且其旁瓣和后瓣都被抑制的比较好，方向图没有较大裂瓣，能达到较好的效果。

图4 天线的天线不同频率下的方向图

图五为天线的增益曲线，其最大增益能达到 10dBi 以上，工作频段内大部分都可以达到6dBi 以上，其在工作频段内能达到高增益的效果。

图5 天线的增益曲线

结束语

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-8.5GHz 的传统 Vivaldi 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～8.5GHz 的频段内，其回波损耗控制在-10dB 以下，最高增益能达到10dBi 以上，其相对带宽高达166% 以上。鉴于其出色的性能，这种 Vivaldi 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发挥重要作用，展现出广阔的应用潜力。

参考文献

[1] 高俊 ， 党发宁 ， 李海斌 ， 杨超 ， 任劼 . 沥青混凝土心墙简化解析受力分析模型 [J]. 岩土力学 ，2019.40（03）：971-977.

[2] 刘士佳， 孔彩 粉， 杨健， 刘海宇. 去学水电站170m 级高沥青混凝土心墙堆石坝设计[J].水电与抽水蓄能 ，2019，5（05）：3 1-35.

[3] 顾伟立. 基于 探地雷达的沥青混凝土心墙缺陷探测研究[D]. 南京航空航天大学，2023.

[4] 胡涛 ， 贾军 ， 陆俊 ， 范向前 ， 董茂干 . 基于示踪法的土石坝裂缝发育深度检测及成因分析 [J]. 人民长江 ，2019，50（07）：201-205.

[5] 宋洋， 杨杰， 程琳， 吕高， 宋福彬. 探地雷达在堆石坝组合防渗体检测中的应用研究[J]西安理工大学学报 ，2021，37 （02）：229-234.

[6]Cheng Y， Dong Y. Ultrawideband shared-aperture crossed tapered slot antenna for 5G applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2022， 22（3）： 472-476.

[7] 蔡士宽 . 超宽带高增益 Vivaldi 天线的研究 [D]. 桂林电子科技大学 ，2024.

[8]Wang X Huang Z， Zheng F Q， et al. The research of indoor three-dimensional positioning algorithm based on ultra-wideband technology[C]//2020 39th Chinese Control Conference （CCC）. IEEE， 2020： 5 144-5 149.