CN106329073B - 一种传感器天线 - Google Patents

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Abstract

一种传感器天线，包括：天线辐射片，所述天线辐射片为平面等角螺旋天线；垂直设置于所述天线辐射片上的馈电巴伦，所述馈电巴伦位于所述天线辐射片未设置螺旋天线臂的表面上，所述馈电巴伦的介质板的一表面上设置馈电导体，所述馈电导体由一矩形馈电区及与该矩形馈电区相连的三角形馈电区构成，所述馈电导体与天线辐射片上的天线臂电连接，在馈电导体的馈电端口设置与传输线相连的传输线接头。本发明结构简单，测量误差小。

Description

一种传感器天线
技术领域
本发明涉及一种传感器天线，特别涉及采用电磁波法测量原油含水率时使用到的传感器天线。
背景技术
电磁波法测量原油含水率的原理为：当被测介质含水率改变时，介质的电常数也改变，最后表现为衰减常数的改变。介质衰减常数的变化将导致传感器天线接收到的信号幅度发生变化，最终表现为两传感器天线(发射天线和接收天线)的传输参数的变化，由此通过测量传感器天线的传输参数来达到测量原油含水率的目的。
目前在采用电磁波法测量原油含水率时，一般假设测量天线的辐射效率与被测介质含水率无关，默认传感器天线的传输参数的变化是由被测介质对电磁波信号的衰减引起的。然而在实际的介质含水率测量中，介质含水率不同将导致介电常数和电导率不同，介质介电常数的变化会导致测量天线的反射系数发生变化。图1为1.9GHz天线的反射系数与介质介电常数的关系图，从图1可以看出，即使测试频率保持不变，介质含水率变化时，测量天线的反射系数S11在该测试频点也会跟着发生变化。因此在电磁波法含水率测量中，同一被测介质在不同含水率时测量天线的反射系数会发生变化，反射系数变化衰减系数测量绝对误差也将发生变化，最终导致测量误差难以确定，而且当反射系数很大时，测量误差会过大，导致测量结果不可信。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量精度高的传感器天线，该天线可应用于石油化学工业中原油含水率或其它介质含水率的测量。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种传感器天线，包括：天线辐射片，所述天线辐射片为平面等角螺旋天线；垂直设置于所述天线辐射片上的馈电巴伦，所述馈电巴伦位于所述天线辐射片未设置螺旋天线臂的表面上，所述馈电巴伦的介质板的一表面上设置馈电导体，所述馈电导体由一矩形馈电区及与该矩形馈电区相连的三角形馈电区构成，所述馈电导体与天线辐射片上的天线臂电连接，在馈电导体的馈电端口设置与传输线相连的传输线接头。
进一步的，所述天线辐射片的辐射片介质基板为圆形，辐射片介质基板的一表面上设置一对螺旋天线臂，螺旋天线臂按照以下方程计算得到：
其中，r0为螺旋线的开端点到原点o的距离，1/a为螺旋率，为螺旋的角度、为螺旋的起始角。
进一步的，所述辐射片介质基板为直径为40mm的圆形，平面等角螺旋天线的r0＝1mm，a＝0.24，的变化范围为0～4.4π，令和通过计算得到一螺旋天线臂的两条螺旋线，将该螺旋天线臂转180°得到另外一条臂。
进一步的，所述馈电巴伦的介质板的大小为22mm×45mm，矩形馈电区的长W＝22mm，宽L1＝8mm，三角形馈电区的高L2＝30mm，馈电导体通过宽为1mm的微带线与天线辐射片上的天线臂相连。
由以上技术方案可知，本发明采用带有垂直巴伦结构的螺旋极化宽带天线，巴伦结构过平面等角螺旋天线中心，并垂直设置于平面等角螺旋天线的辐射背面，该天线结构可以满足被测介质在不同含水率时反射系数≤-10dB，从而减小测量误差，提高测量结果的可靠性。
附图说明
图1为1.9GHz天线的反射系数与介质介电常数的关系图；
图2为衰减系数测量误差与测量天线的反射系数之间的关系图；
图3为不同频率的电磁波在水中和油中的传输系数曲线图；
图4为天线加巴伦结构的反射系数随频率变化的关系图；
图5为天线不加巴伦结构的反射系数随频率变化的关系图；
图6为本发明实施例天线的结构示意图；
图7为宽带天线辐射片的结构示意图；
图8为宽带天线馈电巴伦的结构示意图；
图9为实施例天线仿真的回波损耗图；
图10为实施例天线仿真的驻波比图；
图11为实施例天线的输入阻抗图；
图12为实施例天线3.88GHz时三维立体增益方向图；
图13为实施例天线3.88GHz时yoz面方向图；
图14为实施例天线3.88GHz时xoz面方向图；
图15为实施例天线在yoz面的左、右旋圆极化波增益和总增益方向图；
图16为实施例天线的实测回波损耗图；
图17为实施例天线的实测驻波比图；
图18为实施例天线的实测输入阻抗分布圆图；
图19为实施例验证装置示意图；
图20为天线反射系数随油含水率的变化实验曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
发明人研究发现，由于衰减系数测量误差与测量天线的反射系数相关，通过控制测量天线的反射系数在一定的范围内可以减小衰减系数测量误差。图2为衰减系数测量误差与测量天线的反射系数之间的关系图。从图2可以看出，当天线的反射系数S11大于-10dB时，衰减系数测量误差大于1dB，随着天线反射系数变大，天线给介质衰减特性测量带来的误差也变大；而当天线的反射系数小于-10dB时，衰减系数测量误差小于1dB，天线的反射系数越小，其对介质的衰减损耗测量的影响越小。在测量不同介质的衰减损耗时，天线在不同含水率的被测介质中如果能够满足反射系数≤-10dB，那么衰减系数测量绝对误差将小于1dB，测量数据的可靠性会提高，误差会减小。
为了设计一种应用于电磁波法测量原油含水率的传感器天线，该天线可以实现被测介质在不同含水率的情况下满足反射系数≤-10dB，本发明的基本思路如下：
确定传感器天线的中心频率，由于介质的相对介电常数和介质损耗正切角随电磁波频率的增大而增大，所以当频率增大时，介质的衰减系数也将增大。当频率增大到一定程度时，电磁波在水和油中的衰减区分度不大，测量原油含水率的灵敏度将会降低。为了提高测量灵敏度，要找到一个电磁波在油水中衰减区分度最高的频点。图3为不同频率的电磁波在水中和油中的传输系数曲线图。从图3可以看出，电磁波在纯油中或者纯水中的传输系数都随着频率的增大先减小后趋于平稳，当电磁波频率大于5GHz时，水和油的传输系数区分度减小，甚至交叉重合，电磁波频率为3.8GHz时，电磁波在水中和油中的衰减损耗差值最大，即电磁波在油水中衰减区分度最高的频点为3.8GHz，该频点对油水的区分度最好。因此，传感器天线中心频率的最小频点在3.8GHz附近最理想，本发明将传感器天线的谐振频率设为3.8GHz。
经过实际应用，发明人还发现，为了有效的接收电磁波，要求天线的(最大)辐射方向与天线垂直。平面等角螺旋天线的辐射方向是双定向边射式，电磁波传播的能量主要集中在两天线(发射天线/接收天线)的连线方向，其他位置的电场强度相对两天线的连线方向都较弱，因此平面等角螺旋天线满足边射条件，即天线的最大辐射方向与天线垂直，同时它也满足宽带的要求，所以进一步采用平面等角螺旋天线作为测量原油含水率的传感器天线。
本发明的平面等角螺旋天线的螺旋天线臂按照以下方程计算得到：
其中，r0为螺旋线的开端点到原点o的距离，1/a为螺旋率，为螺旋的角度，为螺旋的起始角，a是一个与无关的常数，r为螺旋线上任一点到原点o(圆心)的距离。
实际应用中要求天线的尺寸不大于40mm，本实施例中r0＝1mm，a＝0.24，角的变化范围为0～4.4π，取和时通过上式即可得到一条螺旋天线臂的两条螺旋线，将该螺旋天线臂转180°即得到另外一条天线臂。
由于平面等角螺旋天线具有平衡对称结构，需要平衡馈电，同轴线是超宽带馈电线，但是其馈电的电流为非平衡式，因此本发明的超宽带平面螺旋天线通过引入巴伦来实现平衡电流与不平衡电流之间的转换，将传感器天线的结构定为带有巴伦结构的平面等角螺旋天线。
图4和图5分别表示天线加巴伦结构和不加巴伦结构时，平面等角螺旋天线的反射系数S11随频率变化的关系图。图2中天线加巴伦结构时，频率在3GHz以上时，反射系数S11大部分频点小于-10dB。图3中天线不加巴伦结构时，反射系数S11只有少数频点小于-10dB，说明添加巴伦结构对传感器天线具有优化作用。
参照图6、图7及图8，本发明的传感器天线包括天线辐射片2-1和馈电巴伦2-2。天线辐射片2-1为平面等角螺旋天线，本实施例的天线辐射片2-1的辐射片介质基板2-1a采用环氧树脂纤维板制成，辐射片介质基板2-1a为圆形，其直径为40mm，厚度为1mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。在辐射片介质基板2-1a的一表面上设置一对螺旋天线臂2-1b。在天线辐射片2-1未设置螺旋天线臂的表面上设置馈电巴伦2-2，馈电巴伦2-2与天线辐射片2-1相垂直，馈电巴伦的中心线过天线辐射片的圆心(中心)。本实施例的馈电巴伦2-2的介质板2-2a为矩形，介质板2-2a的一表面上设置馈电导体2-2b，馈电导体2-2b由一矩形馈电区及与该矩形馈电区相连的三角形馈电区构成。本实施例中介质板2-2a的大小为22mm×45mm，矩形馈电区的长W＝22mm，宽L1＝8mm，三角形馈电区的高L2＝30mm，馈电导体2-2b通过宽W1为＝1mm的微带线与天线辐射片2-1上的天线臂相连，在馈电端口处设置一50Ω的SMA接头。
在HFSS高频电磁仿真软件中对本实施例的宽带天线进行仿真，仿真模型中天线的尺寸参数同上，设置辐射边界的直径为120mm，高为125mm，辐射边界距离天线40mm。得到的回波损耗图和驻波比图分别如图9和图10所示。从图9及图10可看出，在2.55GHz～10GHz的频率范围内，带有垂直巴伦结构的平面等角螺旋天线的反射系数S11均小于-10dB，VSWR均小于2.0，天线的绝对带宽为7.45GHz，天线在3.88GHz时，反射系数S11最小，为-43dB。如图11所示为实施例天线的输入阻抗图，在2.55GHz～10GHz频率范围内可以看到，天线的输入电阻在65欧姆左右，输入电抗在0欧姆左右，输入阻抗的波动较大，但是不会影响阻抗带宽。
图12为本实施例天线在3.88GHz时的三维立体增益方向图，该图描绘了平面等角螺旋天线辐射特性在空间坐标中的变化关系。由图12可知，天线的最强辐射出现在Z轴上，满足了天线为边射的要求，虽然微带巴伦与平面螺旋上面连接，但辐射方向图还是基本对称。图13为极坐标系下实施例天线在3.88GHz时yoz面方向图，由图13可知天线在yoz面呈双向辐射特性，近似“8”字，其中最强辐射强度为3.79dB，最低辐射强度为-3.59dB。图14为极坐标系下实施例天线在3.88GHz时xoz面方向图，由图14可知天线在xoz面也呈双向辐射特性，近似“8”字，其中最强辐射强度为3.79dB，最低辐射强度为-6.59dB。图15为直角坐标系下实施例天线在yoz面的左、右旋圆极化波增益和总增益方向图，从图15可以看出θ在-80°～80°范围内，天线的总增益近似等于右旋圆极化波增益；θ在-180°～100°以及100°～180°范围内，天线的总增益近似等于左旋圆极化波增益，实施例天线的辐射是圆极化的，在Z轴负方向为左旋，在Z轴正方向为右旋。
采用安捷伦矢量网络分析仪(Agilent Technologies N5230C)对实施例天线进行测试。图16和图17分别为实施例天线的实测回波损耗图和驻波比图，从图16可知，天线在2.58GHz～10GHz具有良好的频率响应特性，其中，频率在2.58GHz～7.48GHz和8.26GHz～10GHz时，实施例天线的反射系数S11都小于-10dB；频率在7.48GHz～8.26GHz内，实施例天线的反射系数S11接近-10dB，天线的绝对带宽为7.42GHz，满足了宽带的要求。实施例天线频率在4.37GHz时，反射系数S11最小，为-20dB。而且实施例天线频率在2.58GHz以下时，反射系数S11大于-10dB，对手机、广播等产生的干扰信号有一定的抑制作用。从图17可以看出，实施例天线的测量频段为2GHz～10GHz，频率在2.58GHz～7.48GHz和8.26GHz～10GHz内，VSWR均小于2.0，频率在7.48GHz～8.26GHz内，VSWR小于2.1。
实施例天线的输入阻抗分布圆图如图18所示，测量的频段为2GHz～10GHz，天线在有效频带2.58GHz～10GHz范围内围绕50欧姆点收缩，说明实施例天线的输入阻抗在这个频段内匹配良好。在天线的高频段，电抗主要分布在阻抗圆图的感性区，如果想要在高频段达到阻抗匹配，可以合理增加天线的容抗，与此同时，还应留意天线实部变化，从而可以在高频段使天线的阻抗匹配更完美。
由于传感器天线的所有电参数都与频率有着直接或间接的关系，电参数随频率的变化而变化，这就是天线的频率特性。天线带宽是指当工作频率变化时，天线的有关性能参数与要求的标准范围一致。本发明的天线实现了宽频带特性，绝对带宽为7.42GHz，频率在2.58GHz～10GHz内，反射系数S11小于-10dB，天线的性能测试结果与仿真结果一致性比较好，证明了优化参数的合理性。
将实施例天线应用到原油含水率实际测量进行验证，如图19所示，将一对传感器天线放置于容纳有被测介质的容器的两侧，传感器天线的天线辐射片贴近容器侧壁放置，其中一传感器天线为发射天线，另一传感器天线为接收天线，将传感器天线通过50欧姆同轴线与AgilentN5230C网络分析仪相连。由发射天线发射微波信号，接收天线接收透过被测介质的微波信号，测量得到的两天线的反射系数(S11、S22)随含水率的变化曲线图如图20所示，当电磁波的频率为3.8GHz时，油含水率在0％～100％的变化范围内，天线的反射系数都小于-10dB，而且收、发天线一致性较好；收、发天线的的反射系数存在一点误差，可能是由于焊接不完全一样和两天线耦合的结果，当反射系数小于-10dB时，衰减系数测量绝对误差小于1dB。由以上实验测量进一步的证明了本发明天线能够有效的测量油的含水率，并且测量误差小。
本发明的传感器天线克服了窄带天线无法满足天线谐振频率在不同含水率的介质中发生频移后测量天线的反射系数仍小于-10dB的要求的问题，从而减小测量误差，同时为保证传输系数的准确测量，采用螺旋极化的宽带天线，可以减小电磁波传播过程中产生的反射、折射等干扰，天线的结构简单，提高了测量数据的可靠性，减小了误差。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种传感器天线，其特征在于，用于测量原油含水率，所述传感器天线包括：
天线辐射片，所述天线辐射片为平面等角螺旋天线；
垂直设置于所述天线辐射片上的馈电巴伦，所述馈电巴伦位于所述天线辐射片未设置螺旋天线臂的表面上，所述馈电巴伦的中心线过所述天线辐射片的中心；所述馈电巴伦的介质板的一表面上设置馈电导体，所述馈电导体由一矩形馈电区及与该矩形馈电区相连的三角形馈电区构成，所述馈电导体与天线辐射片上的天线臂电连接，在馈电导体的馈电端口设置与传输线相连的传输线接头；
所述传感器天线的谐振频率为3.8GHz。
2.根据权利要求1所述的传感器天线，其特征在于：所述天线辐射片的辐射片介质基板为圆形，辐射片介质基板的一表面上设置一对螺旋天线臂，螺旋天线臂按照以下方程计算得到：
其中，r0为螺旋线的开端点到原点o的距离，1/a为螺旋率，为螺旋的角度、为螺旋的起始角。
3.根据权利要求2所述的传感器天线，其特征在于：所述辐射片介质基板为直径为40mm的圆形，平面等角螺旋天线的r0＝1mm，a＝0.24，的变化范围为0～4.4π，令和通过计算得到一螺旋天线臂的两条螺旋线，将该螺旋天线臂转180°得到另外一条臂。
4.根据权利要求3所述的传感器天线，其特征在于：所述馈电巴伦的介质板的大小为22mm×45mm，矩形馈电区的长W＝22mm，宽L1＝8mm，三角形馈电区的高L2＝30mm，馈电导体通过宽为1mm的微带线与天线辐射片上的天线臂相连。
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