0 引言
在GPR 及穿墙雷达应用中,Cheng 等通过人工材料透镜与旁瓣抑制结构改善Vivaldi 天线的定向辐射性能[4],Guo 等面向机载GPR 提出了超宽带对拓Vivaldi天线方案[5]。Menon 等和郭伟均分别针对穿墙雷达成像与特殊GPR 宽带定向天线应用,对天线结构轮廓和宽带辐射能力进行了研究[6-7];甄法健等和Amador等则从超宽带穿墙探测与工程应用角度,对Vivaldi天线的宽带辐射性能进行了优化[8-9]。围绕对跖/对拓Vivaldi 天线的小型化与增益提升,王昌弢和叶芃分别对UWB 对跖Vivaldi 天线的基本结构与宽带设计方法进行了系统研究[10-11]。近年来,双槽结构和多级透镜结构被用于提升Vivaldi 天线的增益与辐射稳定性[12-13],CPW 馈电小型化结构、叶形辐射臂及双极化阵列等方法也为宽带匹配和方向图改善提供了参考[14-16]。除Vivaldi 天线外,笼型偶极子和UAV-GPR平台研究为低频探测与系统集成提供了参考[17-18];UWB 天线宽带化综述和TEM Horn 类宽带接收天线研究,则为宽带匹配和低频扩展提供了技术参照[19-20]。
仿真与实测结果表明，在保持0.265λ×0.196λ（λ为1.37GHz对应波长）紧凑尺寸的情况下，该天线低频截止频率成功由2.42GHz下移至1.37GHz，频带下移约43.4%，实现了1.37-26.2GHz（相对带宽180%）的超宽带覆盖。在全频带内，天线增益维持在0.1-10dBi，具备优异的定向辐射性能。本研究有效缓解了GPR天线小型化与低频高性能之间的博弈矛盾，为实现高分辨率、轻量化GPR探测系统提供了技术支撑[9]。
1 天线设计演进与性能机理分析
1.1 基础构型设计与工作机理分析
如图1所示，该天线基础构型（天线Ⅰ）以Rogers RO4003C高频覆铜板为介质基板。其利用介质基板两侧镜像对称的金属辐射臂构成平衡传输线，通过带状线-槽线的集成渐变巴伦实现馈电，这是对拓Vivaldi天线区别于传统单面共面设计的核心特征。这种独特的双面平衡对拓结构不仅实现了宽带内阻抗的平滑转换，还能有效抑制表面波与交叉极化分量，从而获得更稳定的端射波束。天线辐射臂的内边缘遵循指数渐变规律，其曲线方程由下式定义：
该对拓 Vivaldi 天线采用集成渐变巴伦进行馈电，通过连续阻抗变换在宽频带内实现不平衡馈线到平衡辐射结构的有效模式转换，从而保证两侧辐射臂的幅度与相位一致性。结合对拓平衡结构，天线在宽频带内展现出良好的平衡馈电特性和稳定的辐射方向图。该设计结构紧凑、辐射性能优良，可满足探地雷达系统对宽带性与集成度的需求。
对拓 Vivaldi 天线采用独特的双面辐射臂结构设计，相较于传统单面共面 Vivaldi 天线，该设计在阻抗匹配与辐射特性上具备显著优势[8]。结构上，该天线可看作是两个单面Vivaldi天线分别置于介质基板两侧构成的平衡式辐射系统。其核心特征在于上下两层辐射臂的指数渐变曲线呈镜像对称，且通过垂直互连结构实现电性能的同步激励。该双面平衡对拓结构能有效抑制表面波与交叉极化分量，从而在宽频带内实现更稳定的端射波束和更高的口径效率。理论上，电磁波沿指数槽线由馈电端向开口端传播并逐渐辐射至自由空间。根据行波天线理论，低频截止频率主要由最大开口宽度决定，而高频性能则受限于馈电端的槽线间隙尺寸。
在6.6-14GHz中频段：如图2（b）-（c）所示，随着频率升高，电场逐渐向槽线中心和馈电巴伦处收缩，体现了行波天线（Traveling Wave Antenna）的典型特征。
在26GHz以上高频端：如图2（d） 所示，辐射能量高度集中在馈电端口附近的狭窄槽缝区域，形成了高强度的辐射中心（Radiation Center）。电流在到达天线末端前已完全辐射，因此末端电阻加载对高频性能几乎没有影响。这种随频率动态变化的电流分布解释了该天线为何能在保持 1.37GHz 低频截止的同时，将高频工作带宽拓展至 26.2GHz。
在极化特性方面，探地雷达通常利用线极化波来识别地下长条形目标（如管道、钢筋）的走向。当电场极化方向与目标轴向平行时，雷达散射截面（RCS）最大[23]。本天线利用平衡馈电结构实现了高纯度的线极化（交叉极化电平<-20dB），在实际探测中，可根据回波强度的变化准确反演地下管线的走向与排列分布。
该天线的电压驻波比（VSWR）与增益特性曲线如图3所示。仿真与测试结果表明，天线在 2.42GHz 至 26.2GHz 的宽频带内具有良好的阻抗匹配特性，且随着频率的升高，匹配性能呈现持续改善的趋势。在辐射特性方面，天线增益随频率呈现出动态变化：在 1.5GHz低频处增益最低，仅为 0.478dBi。这主要是由于低频下天线的有效辐射电长度相对较短，大量电磁能量被束缚于槽线内部，导致口径效率偏低。随着频率升高，增益整体呈上升趋势并在通带内达到 8dBi的峰值，但其间在 11GHz至14GHz频段内出现了一定程度的跌落（至14GHz时降至约 4dBi）。
在大于 20GHz 的高频段，天线表现出优异的高增益特性，这对于提升探地雷达的高精度浅层探测能力极为有利。然而需要指出的是，由于高频信号波长短，对环境杂波更为敏感，在实际应用中极易因地下介质的不均匀性或目标的细微扰动而产生虚假回波。为此，本文通过结构切角与阶梯式电阻的协同优化，在提升高频辐射增益的同时，进一步确保了高频波束的高度稳定性与极低的交叉极化电平。这种优化设计从物理层面上为抑制背景杂波干扰、提升微小目标识别率提供了可靠的机制保障，而不仅仅是简单的能量增强。
1.2 复合电阻加载优化设计与机理
与传统对拓Vivaldi天线类似，天线I在低频段存在波束过宽且最大辐射方向偏离端射方向的缺陷，导致该频段端射增益显著降低。为突破这一瓶颈，本文设计了一款复合电阻加载的对拓Vivaldi天线（后文称为天线Ⅱ）。该设计的核心机理包含两方面协同优化：
首先，对天线辐射臂末端进行切角处理。此举旨在平滑末端的边缘场分布，抑制电流突变与末端反射；同时能有效削弱边缘绕射效应[13]，使高频表面电流更平稳地向末端导引并辐射。该结构显著提升了方向图的对称性，确保了天线在整个宽频带内辐射特性的一致性。
其次，在天线下侧边缘均匀引入矩形负载，并在其缝隙处加载阶梯式电阻网络。这种复合加载策略，有效弥补了因宽边平行带状线至渐变巴伦过渡长度受限而导致的低频段天线两臂馈电幅度不均的问题，从而进一步改善了低频阻抗匹配。
图4 电阻加载对拓Vivaldi天线结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the resistor-loaded antipodal Vivaldi antenna |
表1 天线结构参数Table 1 Structural parameters of antenna |
| 参数 | 尺寸 （mm） | 参数 | 尺寸 （mm） | 参数 | 尺寸 （mm） | 参数 | 尺寸 （mm） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| W | 58 | L | 43 | r1 | 10 | a1 | 0.087 |
| Wf | 0.55 | l1 | 11 | r2 | 4 | a2 | 0.302 |
| w1 | 7 | l2 | 20 | r3 | 2 | a3 | 0.265 |
| w2 | 2 | l3 | 8 | r4 | 4 | v1 | 2 |
| t1 | 31 |
图6给出了天线Ⅰ与天线Ⅱ的仿真电压驻波比与增益对比曲线。以工程上常用的 VSWR<2.5作为阻抗带宽的判定标准：天线Ⅰ的低频截止频率为 2.42GHz；而天线Ⅱ的低频截止频率大幅降至1.37GHz，低频有效带宽向下拓展了约 1.05GHz，且高频匹配良好延伸至 26.2GHz。在增益特性方面，天线Ⅱ在 1.37-7GHz 中低频段的增益略低于天线Ⅰ，这是由于电阻网络吸收低频末端反射所带来的适度欧姆损耗所致；但在7GHz以上的高频段，天线Ⅱ的增益反超天线Ⅰ并稳定保持在 6—10 dBi。这一现象表明，结构切角对高频表面电流的重塑作用显著提升了天线的口径辐射效率，不仅成功抵消了电阻带来的损耗，还进一步增强了高频端射能力。上述结果证明，该协同设计在拓展低频与维持高频高增益之间取得了极佳的平衡。
通过引入阶梯式电阻加载，本设计优化了宽频带内电流沿天线辐射臂的渐变传输特性，使馈电能量更有效地向辐射端口推进，从而显著增强了天线的行波特性。这一改进有效克服了传统对拓Vivaldi天线在低频段因电尺寸不足而导致的电流分布不均与回波反射问题。因此，尽管电阻网络不可避免地引入了少量欧姆损耗，但天线在整个目标频段内的综合辐射性能依然得到了稳健提升，特别是在低频段成功获取了更为稳定的端射方向图表现。
图7给出了天线在典型频点（1.5GHz、6GHz、10GHz、26GHz）下的E面（YOZ面）和H面（XOZ面）二维归一化辐射方向图。由图可见，在整个超宽带工作范围内，天线均保持了优异的端射特性，主瓣始终稳稳指向+Z轴（即实际应用中的地下探测区域），未出现波束分裂或旁瓣电平过高的畸变现象。在 6GHz 中低频段，波束较宽（半功率波束宽度HPBW约为 60°），这有利于雷达系统覆盖较大的浅层探测范围进行快速概查；随着频率升高至 10GHz 及 26GHz，波束逐渐收敛，方向性显著增强。这种高纯度的线极化特征对于后续利用极化信息识别地下管线走向极具应用价值。
上述稳定的高频辐射特性对克服复杂地质环境下的干扰具有重要的物理意义。首先，实际地表粗糙度极易引入严重的表面杂波。根据瑞利准则，当地表均方根高度偏大时，散射干扰将显著加剧。本天线较高的前后比（F/B Ratio）和集中的下视波束可有效规避来自地表上方的环境噪底。其次，雷达波对地下目标的入射角直接决定了回波强度。根据菲涅尔公式，大角度斜入射会导致能量在地层交界面发生全反射或折射发散；而本天线在高频段展现的高指向性窄波束，能够确保电磁能量集中且垂直地穿透介质，最大限度抑制了多径干扰。最后，在探讨高频探测能力时必须引入辩证视角：高频（极短波长）虽对毫米级微小目标（如混凝土裂缝、细小钢筋）的分辨率具有决定性优势，但在有耗介质（如土壤）中面临着剧烈的能量衰减，且极易受介质内部非均匀体引起的体散射干扰，导致有效探测距离严重受限。正因如此，本文通过阶梯电阻网络优化高频段阻抗匹配，不仅是为了单纯提升辐射增益以对冲介质传输损耗，更是依托其带来的波束高指向性与高纯度，在获取高空间分辨率影像的同时，竭力维持可靠的探测深度与信噪比。
1.3 实测结果
天线的增益测试在微波暗室中进行，采用增益比较法（Gain Comparison Method）。测试系统由一台矢量网络分析仪（VNA）、一个作为发射源的宽带固定天线以及待测天线（AUT）组成。为了确保测试精度，收发天线之间的距离满足远场条件。
首先，将具有已知增益曲线的标准喇叭天线（Standard Gain Horn Antenna）放置在接收端，调整其主波束方向对准发射天线，通过矢量网络分析仪测量并记录该链路的传输系数S21，std（单位：dB）。保持发射天线及测试环境不变，将标准喇叭天线替换为本文设计的电阻加载对拓Vivaldi天线（AUT）。确保待测天线的位置与相位中心与参考天线保持一致，再次测量并记录此时的传输系数S21，AUT（单位：dB）。
基于Friis传输公式，待测天线的增益GAUT可通过对比两次测量的传输系数差值计算得出。计算公式如下：
GAUT（f）=Gstd（f）+（S21，AUT（f）-S21，std（f））
其中，Gstd（f）为标准喇叭天线在频率f处的标称增益（dBi），S21，AUT和S21，std分别为待测天线和标准天线作为接收端时的传输系数值。该方法有效消除了空间路径损耗及线缆损耗对测试结果的影响。
受限于实验室现有的测试设备条件，目前配备的标准增益喇叭天线仅覆盖1.2-2GHz、2-2.6GHz、3.95-5.85GHz、5.85-8.2GHz及12.4-18GHz频段。因此，本文重点对上述频段内的天线增益进行了实际测量与分析。
图10汇总了该电阻加载对拓 Vivaldi 天线的实测峰值增益随频率变化的曲线。由曲线可知，在 1.37GHz 至 26.2GHz 的超宽带范围内，天线增益整体呈现平稳上升的趋势，动态范围维持在 0.1dBi 至 10dBi 之间，且全频段内无明显的增益陷波点，验证了该天线辐射性能的优异均一性。
在低频区（<3GHz），天线增益维持在 0.1-2dBi 之间。尽管阶梯式电阻网络的引入不可避免地产生了一定的欧姆损耗并导致辐射效率略有降低，但这一权衡成功换取了该频段下优异的阻抗匹配特性（VSWR<2.5）以及对末端反射电波的有效吸收。在探地雷达（GPR）实际应用中，这种“以增益换匹配”的设计策略是有效的，因为有效抑制时域拖尾（Ringing）振铃比单纯追求低频高增益更能显著提升雷达系统的成像质量与纵向分辨率。
在中高频区（>10GHz），随着相对电尺寸的增大以及行波辐射机制的高效激起，天线增益迅速攀升并稳定在8dBi 以上（实测最高达 10dBi）。特别是在20GHz 典型频点处，实测增益达到了 9.5dBi。根据雷达方程（如前文公式2所示）推算，相比于传统低增益探测天线（如2-3dBi 的蝶形天线），本天线的高定向增益理论上可将系统在干燥土壤介质中的探测信噪比提升约 12-14dB。这一高增益特性极大程度上对冲并弥补了高频电磁波在地下有耗介质中剧烈衰减的劣势，从而有效验证了本天线在兼顾深层穿透的同时，为利用K波段开展高分辨率浅层探伤提供了可靠的硬件支撑。
2 天线在探地雷达应用的分析与讨论
探地雷达（GPR）系统的探测性能与成像分辨率直接受限于天线的频域与时域特性。为了明确本文所设计天线在实际雷达系统中的适用性，需从空间分辨率、作用距离及抗杂波干扰三个维度进行系统的指标分析。
首先，距离分辨率（Range Resolution）是决定GPR能否区分密集分层或识别微小裂缝的关键指标，其理论极限ΔR由下式决定ΔR=$\frac{c}{2B\sqrt[ ]{{\epsilon }_{r}}}$其中，c为光速，B为天线工作带宽，εr为介质的相对介电常数。传统GPR天线带宽通常小于2GHz，难以满足浅层精细探测需求。本文设计的超宽带天线覆盖 1.37-26.2GHz，在探测典型混凝土结构（εr≈6）或干燥砂土（εr≈4）时，理论距离分辨率可达极高的毫米级（约2-3mm）。此外，其1-2GHz的低频分量波长较长，对介质细微变化不敏感，能有效穿透高反差介质层界面；而高频分量则利用界面的强反射特性，实现对浅层分层厚度的毫米级精度标定。这使得该天线不仅适用于传统的地下管线探测，更特别适用于土木工程中的混凝土微裂缝检测及墙体内钢筋成像。
其次，必须辩证地看待高频探测能力与有效作用距离之间的关系。根据雷达方程，最大探测距离Rmax满足：
${R}_{max}^{4}{e}^{4\alpha {R}_{max}}$=$\frac{{P}_{t}{G}^{2}{\lambda }^{2}\sigma }{（4\pi {）}^{3}{P}_{min}}$
式中，α为介质衰减系数。虽然K波段（18-26GHz）的极短波长对于地下微小空洞或裂缝具有更大的雷达散射截面（RCS），能显著提升目标回波强度，但随之而来的是不容忽视的负面效应：高频信号不仅在有耗介质中面临剧烈的吸收衰减（α值急剧增大），且极易受到地下介质非均匀体（如碎石、根系）的强烈体散射干扰。这种严重的背景杂波会迅速淹没目标信号，导致信噪比骤降，从而极大限制了高频的有效探测深度。
针对上述物理限制，本文所采用的“结构切角+阶梯电阻”复合方案展现出了系统级的补偿优势。实验结果证实，阶梯式电阻设计不仅优化了电流分布、拓展了带宽，更在 20GHz 以上频段维持了约9dBi的高增益与锐利的端射波束。这种高增益与高指向性特征，一方面通过增强辐射源能量，有效对冲了高频电磁波在介质中的传播路径损耗；另一方面，犹如“空间滤波器”般抑制了来自侧向环境的杂波干扰。因此，即使在便携式GPR发射功率受限的情况下，本天线仍能协助雷达系统在分辨率与探测距离之间取得良好的平衡，相比于文献[7]中的传统加载方案，在抑制高频反射与维持探测信噪比方面展现出显著优势。
3 总结
本研究针对探地雷达（GPR）系统对天线小型化、超宽带与高定向性的严苛需求，设计并实现了一款复合电阻加载的对拓Vivaldi天线。针对传统天线拓展低频须牺牲便携性、而常规电阻加载易导致增益大幅劣化的技术矛盾，本文提出了一种“结构切角+阶梯式电阻网络”的协同优化策略。
研究结果表明，该策略在不增加天线物理尺寸（仅为0.265λ×0.196λ，λ对应1.37GHz波长）的前提下，成功将低频下限由2.42GHz下延至1.37GHz。在1.37-26.2GHz的超宽频带内（相对带宽达180%），天线不仅实现了优异的阻抗匹配，还将带内增益稳定保持在0.1~10dBi，较好地平衡了探测灵敏度与天线小型化之间的矛盾。同时，结构切角大幅改善了高频方向图易畸变的缺陷，在26GHz高频点，端射主瓣波束宽度收窄至约20°且无分裂现象。这种高定向性为提升高分辨率雷达在复杂地表环境下的抗杂波干扰能力提供了可靠保障。
综上所述，仿真与实测结果高度吻合，验证了本设计的有效性。该天线以极紧凑的尺寸实现了全频带内的高增益与稳定端射性能，为高精度、轻量化浅层地质探测系统提供了一种极具竞争力的超宽带天线硬件解决方案。