随着我国社会现代化进程的不断加快,探地雷达作为一种高效精确且对被测目标无损伤的地球物理探测仪器,在城市地下空间识别开发,管线与道路空洞排查,交通工程质量检测,地下资源勘探等多个领域得到了广泛的应用。相较于传统地球物理探测仪器,探地雷达对于浅层目标的探测精度更高。而基于网络分析仪的步进频率连续波探地雷达由于采用扫频方式测量,理论上的扫频带宽可以达到任意宽,所以在多种体制探地雷达技术中有着更高的分辨率。天线作为整个探地雷达系统的关键技术,对于整个探地雷达系统实现高分辨探测起到不可或缺的作用。探地雷达系统的天线应具有超宽带频率特性,探测分辨率高,辐射方向性良好,小型化等特点,从而提高探地雷达的整体性能。本文以传统蝶形天线为基础,从添臂和截臂两个结构加载的角度分别设计了工作在低频段的水滴形超宽带天线和高频段的超宽带鼎形天线。一方面拓展了天线有效工作带宽和实现天线小型化:所设计的探地雷达天线通过结构加载技术优化,不仅拓展了传统蝶形天线的工作带宽,优化了天线尺寸,还实现了更为优异的辐射特性和探测分辨率;另一方面增强了天线的方向性:通过在水滴形天线后方加入金属屏蔽背腔,并在其内部填充吸波材料,另外在鼎形天线后方附加金属反射板,提高了两款天线的方向性和抗干扰能力,有效减少了天线的辐射损耗和收发天线间的直达波影响。利用基于有限元方法的HFSS电磁仿真软件,结合实际应用背景对两款超宽带天线进行建模和优化。其中,以水滴形天线为例进行了实际制作和测试,并结合所搭建的步进频率探地雷达系统进行试验,实现了金属管线的高分辨率探测,应用效果良好。结果表明本文所设计的两款天线可以有效拓展传统蝶形天线的带宽,极大的改善了天线的方向性,也优化了与射频线材的阻抗匹配,天线体积小且抗干扰能力强,适合应用于探测城市地下浅层管线分布的探地雷达系统。