CN113078463B - 一种阻容混合加载井中雷达超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻容混合加载井中雷达超宽带天线，属于天线技术领域。该天线包括介质基板、对称设置于介质基板两侧的两偶极子臂，偶极子臂包括沿轴向交错设置的正面金属贴片和背面金属贴片，投影重合的金属贴片部分构成电容；除第一正面矩形金属贴片外的所有金属贴片均设置有一条垂直于轴向的缝隙，缝隙内加载有电阻；电容与电阻交替排列，形成阻容混合加载结构。本发明通过阻容混合加载的方式，不仅能够将谐振状态的偶极子天线变换为行波偶极子天线，还可以大幅减少辐射能量在加载电阻上的损耗，从而提升天线辐射效率，进而提升天线增益，最终使得天线辐射的瞬态电磁脉冲幅值更大，实现天线在损耗地层中具有更远的径向探测距离。

Description

一种阻容混合加载井中雷达超宽带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种适用于井中雷达的具有高辐射效率的超宽带偶极子天线。

背景技术

浅地表为人类生活提供了绝大多数材料和巨大的活动空间，支撑着人类的生存和发展。相较于传统的勘查地球物理和固体地球物理，浅地表地球物理涵盖了更为繁杂的应用领域，包括岩土工程、采矿工程、环境工程、地质灾害预测和防治、考古、城市地下空间探测、国防军事应用等等。然而，浅地表也是地球最复杂、最敏感、最脆弱的部分。一般的地球物理方法都是在地表或待测体表面进行的，然而由于地下或待测体内部结构比较复杂，仅依靠从这些方法中所获得的数据难以准确推断诸如岩性、异常地质体方位等信息，这给地球物理工作者提出了一个新的问题,即如何实现对地层结构的高分辨探测和高精度解释。

探地雷达是一种适用于浅地层的地球物理勘探方法，其探测深度范围非常有限；常规的井中地球物理勘探仪器只对井眼周围有限的区域(径向探测距离小于2m)敏感，常因井眼布局的限制，错过许多重要的地质特征。因此，人们迫切期望能够在单井眼中实现高分辨探测，同时覆盖更大的探测范围，以获取丰富的地层信息。

井中雷达(Borehole Radar，BHR)又称为孔中雷达或钻孔雷达，是一种新型的地球物理勘探工具，它能够沿井眼直接进入地层深处，因此，更适合于地下深部勘探。井中雷达通过向井周地层发射瞬态电磁脉冲(频谱范围通常位于10MHz到1000MHz之间)，利用瞬态电磁脉冲在地层中的传播特性来获取地层信息，进而解释井周地层构造，它具有径向探测距离远、分辨率相对较高的优势。井中雷达在测量工作过程中，经发射天线向井周地层发射瞬态脉冲，当瞬态脉冲遇到井周电学参数(介电常数、电导率和磁导率)不同的地质结构或异常地质体时，部分瞬态脉冲会被反射回井眼，而剩余的瞬态脉冲则会向地层更远处传播。因此，根据接收瞬态脉冲的波形特征、振幅强弱和走时变化等特征实现对井周异常目标的空间位置结构、形态特征和埋藏深度进行评价。凭借其能够接近地下深层目标且具备对井周地层结构成像的优势，井中雷达已经广泛应用于地质结构成像、矿藏勘探、水文和环境地质调查、土木工程、核废料储藏地选址及地下油气资源勘探等方面。

天线是井中雷达的核心部件，其性能指标将直接影响着井中雷达的径向探测距离和分辨率的大小。因此，适用于井中雷达的天线应具有超宽带、高辐射效率和高保真度等特性。井中探测不同于地表探测，井周地层对瞬态电磁脉冲的衰减尤为严重，为了确保井中雷达的径向探测距离，井中雷达通常选用低频分量较为丰富的类一阶高斯脉冲作为天线的激励信号。低频电磁波有利于提高井中雷达的探测距离，但天线尺寸与其工作波长呈正相关，低频电磁波就意味着发射天线和接收天线具有较大的物理尺寸。对于数千米深的探井，由于钻井成本随井眼直径的增加呈几何倍数上涨，故井中雷达天线的适用范围，严格受限于井眼直径的大小。传统的超宽带天线，如双锥天线、领结天线，其径向尺寸约为λ/4～λ/2之间，螺旋天线的径向尺寸约为λ/2。如天线的工作频率为150MHz，假设背景媒质(如碳酸盐岩)的介电常数ε＝9，则对应的工作波长λ＝666mm，然而双锥天线和领结天线的径向尺寸约为166.5mm～333.33mm，螺旋天线的径向尺寸为333.33mm左右。考虑到脉冲信号的半功率点，若要保真的辐射出脉冲信号，其径向尺寸则会更大。而工程上的井眼尺寸，如应用于油气资源勘探的井眼直径通常不超过216mm，用于煤矿超前探测的钻孔直径不大于75mm。出于实际井眼直径大小的限制和探测作业的安全余量考虑，传统的常规大尺寸超宽面带天线，如频率无关天线(螺旋天线、对数周期天线)、双锥天线、TEM喇叭天线等无法应用于井中雷达探测。因此，径向尺寸较小的偶极子线天线成为井中雷达的首选，但这类天线的弊端在于其带宽较窄。

为了弥补偶极子线天线的窄带缺陷，通常采用离散电阻加载的方式来拓宽其工作带宽。2011年，电子科技大学的徐艳清等设计了一款电阻加载的超宽带偶极子天线(Yanqing Xu；Yuan Shian gang,“Resistively loaded ultra-wideband dipole antennafor narrow borehole radar systems”,Proceedings of 2011IEEE CIE InternationalConference on Radar,24-27Oct.2011)，其天线长2.5m，特性阻抗变化平缓；端口阻抗为250Ω时，阻抗带宽为48-450MHz；但其工作带宽内的辐射效率在50MHz时只有22％。2012年，电子科技大学的唐剑明等设计加工了一款电阻加载超宽带偶极子天线(唐剑明.关于钻孔雷达天线的研究.[硕士学位论文].2012)，其在整个工作带宽内，增益小于-5dBi，这是因为加载的电阻会吸收大量的能量，从而导致天线的辐射效率和增益降低。一般来说，纯电阻加载的超宽带天线辐射效率不到45％，在其工作带宽的低频段更是不到25％；通常纯电阻加载的超宽带天线增益不超过-4dBi，这也是严重制约井中雷达径向探测距离的关键因素之一。

发明内容

本发明目的在于针对现有井中雷达天线辐射效率低的问题，提出了一种阻容混合加载的超宽带偶极子天线。本发明天线的辐射效率远高于电阻加载偶极子天线，同时加工方便、工程上易于实现，且易于测试调试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种阻容混合加载井中雷达超宽带天线，包括矩形介质基板、以及对称设置于介质基板左右两侧的两偶极子臂。

所述偶极子臂包括设置于介质基板正面的N个正面矩形金属贴片，设置于介质基板背面的N个或N-1个背面矩形金属贴片。

所述正面矩形金属贴片和背面矩形金属贴片从天线中心位置沿轴向交错设置，且矩形金属贴片的轴向中线位于同一平面，其中天线中心馈电点两侧的矩形金属贴片为第一正面矩形金属贴片。

所述背面矩形金属贴片在介质基板正面投影的左右两端分别与相邻的正面矩形金属贴片重合，其中投影重合的金属贴片部分构成电容；除第一正面矩形金属贴片外的所有矩形金属贴片均设置有一条垂直于轴向的缝隙，所述缝隙内加载有电阻；所述电容与电阻交替排列，形成阻容混合加载结构。

进一步地，矩形金属贴片的宽度相同，且满足与50Ω同轴线阻抗匹配。加宽贴片宽度会使得天线端口的阻抗在工作带宽内下降；降低贴片宽度会使得天线端口的阻抗在工作带宽内上升。

进一步地，所述第一金属贴片靠近天线中心的一端设置为锥台形。

进一步地，自天线馈电点到天线两端的电容的值逐渐减小，电阻的值逐渐增大。

通过阻容混合加载的方式，不仅能够将谐振状态的偶极子天线变换为行波偶极子天线，或者说，不仅能够平缓天线阻抗且让其在宽带内实现阻抗匹配，而且还可以大幅减少辐射能量在加载电阻上的损耗，从而大幅提升天线辐射效率，进而大幅提升天线增益。本发明的阻容混合加载结构可实现偶极子天线的超宽带，在实际工程中，可根据天线的工作环境、激励信号特征、以及整个雷达系统的指标等多种因素进行综合考虑，对本发明的电容加载结构个数和电阻加载个数进行调整。同样的，其电容加载结构的电容值和电阻加载的电阻值亦需要根据上述因素进行优化调整。

本发明的有益成果在于：阻容混合加载方式是一种新型超宽带偶极天线，能够大大拓宽偶极子天线的工作带宽。与传统的电阻加载相比，阻容混合加载还大大提升了偶极子天线的辐射效率和增益，最终使得天线辐射的瞬态电磁脉冲幅值更大，从而实现天线在损耗地层中具有更远的径向探测距离。并且本发明天线结构简单，只需将一块双面覆铜的介质基板刻蚀出多个矩形铜贴片，再焊接上电阻即可，易于加工实现。且加工后也可以通过裁剪辐射贴片上的重叠面积来改变加载电容值；通过改变焊接电阻来调整加载的电阻值，易于满足实际工程调试。

附图说明

图1为本发明印刷偶极子天线主视图；

图2为本发明印刷偶极子天线后视图；

图3为本发明印刷偶极子天线透视图；

图4为本发明印刷偶极子天线仿真S11结果示意图；

图5为本发明印刷偶极子天线仿真辐射效率结果示意图；

图6为本发明印刷偶极子天线仿真增益结果示意图；

图7为本发明印刷偶极子天线在输入峰峰值脉宽为2ns的类一阶高斯脉冲后，距离天线5m处探针的接收信号波形；

图8为图7中5m处探针接收信号波形的保真度。

附图标记为：1.第一正面矩形金属贴片，2.第一背面矩形金属贴片，3.第二正面矩形金属贴片，4.第二背面矩形金属贴片，5.第三正面矩形金属贴片，6.FR-4介质板。

具体实施方式

下面结合实施例以及附图对本发明进行进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本实施例的阻容混合加载的超宽带印刷偶极子天线，包括厚度为2mm、介电常数ε_r＝4.3的FR-4矩形介质基板，以及对称设置于介质基板左右两侧的两偶极子臂，偶极子臂包括设置于正面的第一正面矩形金属贴片、第二正面矩形金属贴片、第三正面矩形金属贴片，设置于背面的第一背面矩形金属贴片、第二背面矩形金属贴片；背面矩形金属贴片在介质基板正面投影的左右两端分别与相邻的正面矩形金属贴片重合，投影重合的金属贴片部分构成电容加载结构；除第一正面矩形金属贴片外的所有金属贴片均设置有一条垂直于轴向的缝隙，缝隙内焊接电阻构成电阻加载结构；所述电容与电阻交替排列，形成阻容混合加载结构。

在接近天线中心馈电端口的位置对第一正面矩形金属贴片进行渐变处理，以改善天线表面电流分布的不连续性，从而实现超宽带、高辐射效率、高保真度的印刷偶极子天线。因为天线径向尺寸的限制，整个天线不能设计成锥形结构，故本实施例中只将天线的激励端头设计为宽带天线中的角型结构，即锥台型结构,以避免馈电处的尖端打火现象。该结构可以一定程度上克服天线表面的电流不连续性，便于宽带匹配。

相较于常见的工作于谐振状态的无加载偶极子天线，本发明中的阻容混合加载印刷偶极子天线工作于行波状态。在加载电容和电阻后，其阻抗带宽会向高频移动。通过调节介质板上印刷贴片非重合部分的轴向长度，来改变天线的工作频率。使得天线可以辐射中心频率为150MHz的类一阶高斯脉冲信号。

本发明中的阻容混合加载的偶极子天线，其原理在于降低天线的Q值，换言之，会将偶极子天线本身起伏的阻抗变得平缓，从而提升天线的阻抗带宽。增大介质板上各个矩形金属贴片的宽度，可以在工作带宽内降低天线输入端口的阻抗；而减小矩形贴片的宽度，可以在工作带宽内提升天线输入端口的阻抗。故通过变换贴片宽度调整阻抗，从而在馈电处实现其与50Ω同轴线的阻抗匹配。

本发明天线为印刷偶极子天线，介质板的厚度、及介质板介电常数等参数，只会对于电容结构的电容值有影响，而对天线的其他性能指标影响微弱。通过调整介质板的厚度，介电常数等参数，可以改变天线串联电容结构加载的电容值大小。

在天线加工完成后，可以通过裁剪金属贴片投影面的重叠部分的面积来调整加载的电容值，易于天线的性能调试。本实施例天线的具体结构尺寸如下表所示：

R1	R2	R3	R4	CL1
					58Ω	2470Ω	5630Ω	9930Ω	49.8mm
CL2	CL3	CL4	L1	L2
					26mm	3mm	3mm	176mm	105.2mm
L3	L4	L5	RL1	RL2
					46mm	39.2mm	34.6mm	51.3mm	27.5mm
RL3	RL4	W1	W	d
					4.7mm	4.5mm	22.5mm	45mm	15.3mm

其中，L1、L3、L5为第一、二、三正面矩形金属贴片的轴向长度，L2、L4为第一、二背面矩形金属贴片的轴向长度；RL1、RL2、RL3、RL4为各矩形金属贴片上的缝隙距该贴片靠近馈电点一边的距离；CL1、CL2、CL3、CL4为各电容加载处正反面贴片投影重合部分的轴向长度；W1为第一正面矩形金属贴片锥台结构上底的宽度；W为各矩形金属贴片的宽度；d为偶极子两臂间距。

因为本发明天线为井中雷达天线，不同于在空气媒质中的工作的常规天线，井中雷达天线通常工作于井眼之中，工作环境多以损耗介质为主。本发明以工作于碳酸盐岩地层中的超宽带天线为例，故将环境介质的相对介电常数ε设置为9，以逼近地下岩层实际环境。

如图4所示，仿真所得天线的-10dB阻抗带宽为90MHz～450MHz；在图5中，在80MHz处天线的辐射效率为56％，在100MHz处天线的辐射效率为63％，在类一阶高斯脉冲激励信号的中心频率点150MHz处，天线的辐射效率为72％。在图6中，在天线的阻抗带宽内，天线增益基本维持在0～2dBi，相较于普通电阻加载的超宽带偶极子线天线，本发明的天线具有更高的辐射效率和增益。辐射波形的保真度也是脉冲体制井中雷达天线的重要指标。天线的保真度指辐射场的时间积分与天线馈电电压的相关程度。通常来说，激励脉冲信号和探针接收信号的互相关最大值系数大于0.9，脉冲拖尾幅度低于脉冲峰峰值幅度的10％，则该天线的基本时域波形保真度达标。如图8所示，在5m处脉冲信号和探针接收信号的互相关最大值为0.91，满足保真度要求。

如图7所示，直观来看，距离天线5m、7m、9m处的探针接收的辐射波形为类二阶高斯脉冲，符合超宽带天线的时域微分效应。且该脉冲信号未出现失真拖尾，满足井中雷达超宽带天线的设计要求。

Claims (4)

1.一种阻容混合加载井中雷达超宽带天线，包括矩形介质基板、以及对称设置于介质基板左右两侧的两个偶极子臂，其特征在于，一个所述偶极子臂包括设置于介质基板正面的N个正面矩形金属贴片，设置于介质基板背面的N个或N-1个背面矩形金属贴片；

所述正面矩形金属贴片和背面矩形金属贴片从天线中心位置沿轴向交错设置，且矩形金属贴片的轴向中线位于同一平面，其中天线中心馈电点两侧的矩形金属贴片为第一正面矩形金属贴片；

所述背面矩形金属贴片在介质基板正面投影的左右两端分别与相邻的正面矩形金属贴片重合，其中投影重合的金属贴片部分构成电容；除第一正面矩形金属贴片外的所有矩形金属贴片均设置有一条垂直于轴向的缝隙，所述缝隙内加载有电阻；所述电容与电阻交替排列，形成阻容混合加载结构。

2.如权利要求1所述的一种阻容混合加载井中雷达超宽带天线，其特征在于，自天线馈电点到天线两端的电容的值逐渐减小，电阻的值逐渐增大。

3.如权利要求1或2所述的一种阻容混合加载井中雷达超宽带天线，其特征在于，所述第一正面矩形金属贴片靠近天线中心的一端设置为锥台形。

4.如权利要求1或2所述的一种阻容混合加载井中雷达超宽带天线，其特征在于，所述矩形金属贴片的宽度相同，且满足与50Ω同轴线阻抗匹配。

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