脉冲探地雷达分形天线的研究

发布时间：2017-10-20 09:14

  本文关键词：脉冲探地雷达分形天线的研究

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【摘要】：探地雷达是以电磁波为媒介对地下介质分布进行探测的无损检测设备,相对于有损检测,具有检测速度快、覆盖面宽的特点,在市政建设、军事安全、考古和水文检测等领域有着重要应用。各雷达制式中,脉冲探地雷达是技术比较成熟、商业化程度比较高的雷达制式。分形是通过迭代函数系统产生的一种结构,分形结构具有空间填充性和自相似性,而分形结构的这两个特点赋予了分形天线小型化、多频带和机械鲁棒性强的特点,这使分形天线在通信领域有着广阔的的应用前景。脉冲探地雷达的天线是发射和接收脉冲信号的门户,脉冲探地雷达的天线对探测目标的分辨率有着重要影响,所以本文对脉冲探地雷达天线进行研究。论文研究了分形结构的偶极子线天线和面天线的参数及特性,并进行模拟与实验测试研究。研究过程中,建立了等长度条件下线天线的弯折角对谐振频率的影响模型;模拟测试了Sierpinski三角形加载的蝶形天线的参数特性;在此基础上,设计了一种新的超宽带分形天线。在整个脉冲探地雷达分形天线的研究过程中,完成了以下主要研究工作:1)偶极子线天线弯折角度与谐振频率的关系模型的建立。在分析不同因素对等高度不同结构的分形天线和不同迭代次数的分形天线谐振频率的影响过程中,发现天线的总长度对天线的影响最大,其次是天线的形状。本文以弯折角的矢量和作为天线形状的量度,研究了在等长度条件下天线弯折角的和对天线谐振频率的影响。实验发现天线弯折角和谐振频率呈现某种对数关系,并建立了相关函数模型,这种关系对天线的小型化有一定指导意义。2)蝶形天线的分形化研究。在对基本的蝶形天线进行多次分形迭代和分形变形研究的过程中,发现在通信领域内分形的诸多优点,并不能在满足探地雷达性能的条件下取得。当输入阻抗较低的时候,天线的时域响应不好;而输入阻抗较高的时候,天线的匹配性能变差。3)双三角结构超宽带探地雷达天线的研究。使用一种双三角结构,并将辐射端的三角形分形化,该结构可以同时在时域和频域达到性能要求,该结构在理论上要比集中加载的有更高的辐射效率。末端电阻加载的结构减弱了天线输入端对形状变化的敏感性,实验发现进行四次加载和八次加载对低频段并没有影响,而且加载的最小值的变化对匹配性能的影响也大为减小。
【关键词】：脉冲探地雷达 分形天线 迭代 弯折角 小型化 加载
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN957.2
【目录】：

• 摘要6-8
• abstract8-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 研究背景14-17
• 1.2 探地雷达国内外研究现状17-25
• 1.2.1 国内外探地雷达现状17-20
• 1.2.2 探地雷达天线现状20-22
• 1.2.3 分形简介22-25
• 1.2.4 国内外分形天线研究进展25
• 1.3 本文的章节安排和创新点25-28
• 第二章 基础理论28-52
• 2.1 探地雷达理论基础28-38
• 2.1.1 探地雷达基本原理及组成28-29
• 2.1.2 脉冲发生器29-33
• 2.1.3 等效采样原理33-36
• 2.1.4 时变增益原理36
• 2.1.5 步进频率发生器36-37
• 2.1.6 基于FPGA的脉冲探地雷达37-38
• 2.2 分形图形的产生38-43
• 2.2.1 IFS系统38-39
• 2.2.2 L系统39-40
• 2.2.3 复动力系统的分形集40-41
• 2.2.4 分形维41-43
• 2.3 常见分形天线结构及其产生43-49
• 2.3.1 Koch曲线与Koch雪花43-44
• 2.3.2 Sierpinski三角与Sierpinski毯44-47
• 2.3.3 Minkovski曲线47
• 2.3.4 希尔伯特曲线47-48
• 2.3.5 Peano分形天线48-49
• 2.3.6 树状分形天线49
• 2.4 应用软件和设备介绍49-52
• 2.4.1 HFSS50
• 2.4.2 AutoCAD50
• 2.4.3 CST MWS50-51
• 2.4.4 矢量网络分析仪51-52
• 第三章 弯折角度对谐振频率的影响52-67
• 3.1 课题的提出52-54
• 3.2 影响因素的分析54-58
• 3.3 天线弯折角对谐振频率的影响58-64
• 3.3.1 SuperKoch天线的研究58-60
• 3.3.2 Origin天线的研究60-61
• 3.3.3 SuperKoch分形天线61-63
• 3.3.4 Origin分形天线63-64
• 3.4 实验验证64-66
• 3.5 本章小结66-67
• 第四章 分形加载的蝶形天线67-83
• 4.1 蝶形天线的主要性能指标67-68
• 4.2 基本平面蝶形天线68-70
• 4.3 标准的Sierpinski三角天线70-73
• 4.3.1 一阶Sierpinski三角天线71-72
• 4.3.2 偏移距离对天线参数的影响72-73
• 4.3.3 二阶Sierpinski三角形天线73
• 4.4 Sierpinski三角及其变形73-75
• 4.4.1 一阶Sierpinski三角天线变形73-74
• 4.4.2 二阶Sierpinski变形天线74-75
• 4.5 天线的时域研究75-81
• 4.5.1 Sierpinski天线的时域研究75-76
• 4.5.2 异形结构对时域波形的影响76-77
• 4.5.3 加载对时域的影响77-80
• 4.5.4 输入阻抗对时域和带宽的影响80-81
• 4.6 高阻抗下分形结构对带宽的影响81
• 4.7 本章小结81-83
• 第五章 超宽带探地雷达天线83-91
• 5.1 超宽带天线的结构83-84
• 5.2 双三角结构的加载84-88
• 5.2.1 双三角结构的分形加载85
• 5.2.2 SSPK结构的电阻加载85-88
• 5.3 加背腔的超宽带天线88-90
• 5.4 本章小结90-91
• 第六章 总结与展望91-92
• 参考文献92-96
• 附录96-98
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果98-99
• 致谢99-101

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本文编号：1066451