CN113745824A - 一种偶极子探地雷达天线及探地雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偶极子探地雷达天线及探地雷达系统，包括固定管，两个偶极子单元对称套设在固定管的外侧，两个偶极子单元之间的缝隙处设置有馈电孔；同轴线电缆贯穿设置在固定管中，同轴线电缆的一端贯穿馈电孔后分别与两个偶极子单元连接，另一端与信号源连接；同轴线电缆包括同轴线本体及若干铁氧体磁环，若干铁氧体磁环依次连续套设在同轴线本体的外侧；本发明将同轴线电缆贯穿在固定管中，形成新型巴伦结构；同轴线电缆采用在同轴线本体外侧设置铁氧体磁环，利用铁氧体磁环的高阻扼流功能，有效扼制了偶极子单元臂上电流流向同轴线电缆外侧表面，确保了偶极子单元两臂上的电流相等，实现了平衡馈电，避免天线方向图的畸变，实现了全向天线。

Description

一种偶极子探地雷达天线及探地雷达系统
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种偶极子探地雷达天线及探地雷达系统。
背景技术
钻孔雷达是探地雷达的一个分支，其原理是利用接收天线接收探测目标回来的发射天线辐射的电磁波，从而接收信号来分析地下的情况；因其高分辨率的成像能力、探测距离远及构造简单而被广泛应用；现在，钻孔雷达技术已经广泛地应用于石油探测、地质勘察和矿藏探测等领域。
天线作为探地雷达系统收发信号的重要组成部分，对于整个系统探测性能的优劣起到关键性作用；例如，天线的有效工作带宽要足够宽，方向特性要足够好，时间域特性要良好等。钻孔雷达天线由于受到井眼大小的限制，其并没有地面雷达那样多种多样；钻孔雷达天线按照天线的辐射方向图来划分，可分为全向天线和定向天线两种；其中，全向天线应用最为广泛。天线的工作频带、辐射增益等各个指标参数都与钻孔雷达系统的技术性能有着直接的关系，尤其对钻孔雷达更为重要。由于钻孔雷达的发射接收天线放置在井下工作，而在实际应用中钻孔井眼的横向尺寸有着很大的局限性，一般情况下，井眼的口径在150mm内，所以对应用于钻孔雷达的天线尺寸也受到了限制。可见，钻孔雷达天线的性能对于钻孔雷达的发展具有举足重轻的作用。
偶极子天线是钻孔雷达系统中应用最为广泛的收发天线，因其特有的几何外形结构符合钻孔雷达的工作环境要求；探测精度和所用收发天线的带宽密切相关，带宽越宽精度也就越高。普通偶极子天线的带宽较窄，极大地限制了钻孔雷达系统的探测精度；其次，偶极子天线属于平衡馈电天线，其包括两个馈电点；两个馈电点的信号电压(或者电流)的相位是互为反相的；而馈电电缆常常都是同轴线电缆，同轴线电缆属于不平衡或不对称馈线，其内导体是馈电点，外导体是地线，不参与馈电；现有采用同轴线电缆对天线直接馈电，会使天线有部分电流流到同轴线电缆的外表面，造成偶极子两臂上的电流大小不等，这种不平衡会改变天线的方向图，从而使馈线接收到各种干扰波，使馈线与天线失配；因此，在偶极子天线与同轴线电缆连接时，不仅要考虑阻抗匹配一般，还要进行平衡-不平衡变换。
因此，综合已公开的全向钻孔雷达天天，有必要结合不同种天线的优势，研究实现用于钻孔雷达高精度探测的平衡馈电超宽带偶极子天线。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种偶极子探地雷达天线及探地雷达系统，以解决现有采用同轴线电缆对天线馈电时，出现偶极子两臂上的电流大小不等，易改变天线的方向图，从而使馈线与天线失配的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种偶极子探地雷达天线，包括固定管、两个偶极子单元及同轴线电缆；两个偶极子单元对称套设在固定管的外侧，两个偶极子单元间隔设置；两个偶极子单元之间的缝隙处设置有馈电孔；
同轴线电缆贯穿设置在固定管中，同轴线电缆的一端贯穿馈电孔后分别与两个偶极子单元连接，另一端与信号源连接；同轴线电缆包括同轴线本体及若干铁氧体磁环，若干铁氧体磁环依次连续套设在同轴线本体的外侧。
进一步的，还包括加载电阻；加载电阻设置在两个偶极子单元之间的缝隙处，并与馈电孔对称设置；两个偶极子单元通过加载电阻连接。
进一步的，每个偶极子单元包括依次间隔套设在固定管外侧的第一偶极子段、第二偶极子段、第三偶极子段、若干第一电阻及若干第二电阻；其中，第一偶极子段靠近固定管的中部设置，第三偶极子段靠近固定管的端部设置；
若干第一电阻均匀分布在第一偶极子段与第二偶极子段的缝隙处，第一偶极子段与第二偶极子段通过第一电阻连接；若干第二电阻均匀分布在第二偶极子段与第三偶极子段的缝隙处，第二偶极子段与第三偶极子段通过第二电阻连接。
进一步的，同轴线电缆的内导体与其中一个偶极子单元连接，同轴线电缆的外导体与另一个偶极子单元连接。
进一步的，同轴线电缆与固定管之间设置固定材料层。
进一步的，铁氧体磁环通过热缩管固定在同轴线本体的外侧。
进一步的，固定管采用PVC管；第一偶极子段、第二偶极子段及第三偶极子段均采用铜箔制偶极子。
进一步的，两个偶极子单元之间的间隙为6mm，偶极子单元的外径为40mm；其中，第一偶极子段的长度为100mm，第二偶极子段的长度为20mm，第三偶极子段的长度为50mm；第一偶极子段与第二偶极子段之间的缝隙宽度为2mm，第二偶极子段与第三偶极子段之间的缝隙宽度为2mm。
进一步的，第一电阻及第二电阻的个数分别为四个，相邻第一电阻或相邻第二电阻的夹角为90°。
本发明还提供了一种探地雷达系统，所述探地雷达系统包括所述的偶极子探地雷达天线。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种偶极子探地雷达天线及探地雷达系统，将两个偶极子单元对称套设在固定管上，将同轴线电缆贯穿设置在固定管中，形成新型巴伦结构；同轴线电缆采用在同轴线本体外侧设置铁氧体磁环，利用铁氧体磁环的高阻扼流功能，有效扼制了偶极子单元臂上电流流向同轴线电缆外侧表面，确保了偶极子单元两臂上的电流相等，实现了平衡馈电，避免了天线方向图的畸变，实现了全向天线，提高了馈线与天线的适配性能。
进一步的，通过在两个偶极子单元之间设置加载电阻，利用加载电阻有效吸收天线末端反射的电流，增加了带宽，实现了超宽带。
进一步的，将每个偶极子单元分段设置，并在相邻偶极子段之间设置电阻，利用电阻能够有效减少偶极子段末端的电流反射，扩宽了带宽，实现超宽带，有利于扼制探地雷达系统中接收信号的拖尾时长，有效提高了探地雷达系统的探测精度。
进一步的，偶极子单元中的偶极子段分别采用铜箔制偶极子，将铜箔制偶极子设置在PVC管的外侧，有效降低了天线整体重量，成本低，便于户外钻孔测试。
进一步的，通过在同轴线电缆与固定管之间设置固定材料层，利用固定材料层对同轴线电缆进线固定，能够有效减少天线使用过程中的晃动，提高了天线性能的稳定性。
附图说明
图1为实施例所述的偶极子探地雷达天线的立体结构示意图；
图2为实施例所述的偶极子探地雷达天线的横剖图；
图3为实施例中加载氧化铁环的同轴线电缆结构示意图；
图4为实施例中的偶极子探地雷达天线的回波损耗测试结果图；
图5为实施例中的偶极子探地雷达天线在350MHz，
Figure BDA0003180856510000041
时的辐射方向图；
图6为实施例中的偶极子探地雷达天线在350MHz，
Figure BDA0003180856510000042
时的辐射方向图。
其中，1固定管，2偶极子单元，3加载电阻，4馈电孔，5同轴线电缆，6固定材料层；21第一偶极子段，22第二偶极子段，23第三偶极子段，24第一电阻，25第二电阻；51同轴线本体，52铁氧体磁环。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种偶极子探地雷达天线，包括固定管1、两个偶极子单元2、加载电阻3及同轴线电缆5；两个偶极子单元对称套设在固定管1的外侧，两个偶极子单元2间隔设置；两个偶极子单元2之间的缝隙处设置有馈电孔4，馈电孔4作为两个偶极子单元2的馈电点；同轴线馈电5贯穿设置在固定管1中，同轴线电缆5的一端贯穿馈电孔4后分别与两个偶极子单元2连接，另一端与信号源连接；其中，同轴线电缆5的内导体与其中一个偶极子单元连接，同轴线电缆5的外导体与另一个偶极子单元连接；同轴线电缆5包括同轴线本体51及若干铁氧体磁环52，若干铁氧体磁环52依次连续套设在同轴线本体51的外侧；其中，铁氧体磁环52通过热缩管固定在同轴线本体51的外侧；优选的，铁氧体磁环52采用镍锌铁氧体磁环。
本发明中，将两个偶极子单元2对称套设在固定管1上，将同轴线电缆5贯穿设置在固定管1中，形成新型巴伦结构；同轴线电缆5采用在同轴线本体51外侧设置铁氧体磁环52，利用铁氧体磁环52的高阻扼流功能，有效扼制了偶极子单元臂上电流流向同轴线电缆外侧表面，确保了偶极子单元两臂上的电流相等，实现了平衡馈电，避免了天线方向图的畸变，实现了全向天线，提高了馈线与天线的适配性能。
每个偶极子单元2包括依次间隔套设在固定管1外侧的第一偶极子段21、第二偶极子段22、第三偶极子段23、若干第一电阻24及若干第二电阻25；其中，第一偶极子段21靠近固定管1的中部设置，第三偶极子段23靠近固定管1的端部设置；其中一个偶极子单元2中的第一偶极子段21与另一个偶极子单元2中的第一偶极子段21之间相互靠近，且间隔设置；馈电孔4设置在两个偶极子单元2的第一偶极子段21之间的缝隙处。
若干第一电阻24均匀分布在第一偶极子段21与第二偶极子段22的缝隙处，第一偶极子段21与第二偶极子段22通过第一电阻24连接；若干第二电阻25均匀分布在第二偶极子段22与第三偶极子段23的缝隙处，第二偶极子段22与第三偶极子段23通过第二电阻25连接；优选的，第一电阻24及第二电阻25的个数分别为四个，相邻第一电阻24或相邻第二电阻25的夹角为90°；本发明中，将每个偶极子单元2分段设置，并在相邻偶极子段之间设置电阻，利用电阻能够有效减少偶极子段末端的电流反射，扩宽了带宽，实现超宽带，有利于扼制探地雷达系统中接收信号的拖尾时长，有效提高了探地雷达系统的探测精度。
加载电阻3设置在两个偶极子单元2之间的缝隙处，并与馈电孔4对称设置；两个偶极子单元2通过加载电阻3连接；其中，加载电阻3的一端与其中一个偶极子单元2中的第一偶极子段21，加载电阻3的另一端与另一个偶极子单元2中的第一偶极子段21；通过在两个偶极子单元2之间设置加载电阻3，利用加载电阻3有效吸收天线末端反射的电流，增加了带宽，实现了超宽带。
本发明还提供了一种探地雷达系统，所述探地雷达系统包括所述的偶极子探地雷达天线；其中，所述的偶极子探地雷达天线用于探地雷达系统的信号收发。
工作原理
本发明所述的偶极子探地雷达天线，所述天线的主体是加工在固定管上的铜箔制偶极子；使用时，电磁信号通过同轴线电缆馈向天线，通过铜箔制偶极子向外辐射电磁波；通过在偶极子单元之间设置加载电阻；同时，将每个偶极子单元分段设置，并在相邻偶极子段之间设置电阻，利用电阻对偶极子单元及偶极子段末端反射电流的吸收作用，减少末端反射的电流，从而能够极大地拓展天线的工作带宽，能够进一步提高钻孔雷达系统的探测精度。
本发明中，通过在同轴线本体外加载铁氧体磁环，利用铁氧体磁环的高阻抗特性能够有效抑制天线上的电流流到同轴线外表面，确保偶极子单元两臂上的电流大小相等，避免造成天线的方向图畸变，实现了平衡-不平衡的转换，实现了全向天线，提高了馈线与天线的适配性能。
本发明所述的偶极子探地雷达天线能够用于探地雷达系统，尤其用于钻孔雷达系统，通过电阻加载吸收天线末端反射的电流，增加带宽实现了超宽带；通过加载铁氧体磁环的同轴线穿过固定管对偶极子中心进行馈电，是一种新型巴伦结构，实现了平衡馈电。
实施例
如附图1-3所示，本实施例提供了一种偶极子探地雷达天线，包括固定管1、两个偶极子单元2、加载电阻3及同轴线电缆5；两个偶极子单元对称套设在固定管1的外侧，两个偶极子单元2之间设置有缝隙；两个偶极子单元2之间的缝隙处设置有馈电孔4，馈电孔4作为两个偶极子单元2的馈电点；同轴线馈电5贯穿设置在固定管1中，形成新型巴伦结构；同轴线电缆5的一端贯穿馈电孔4后分别与两个偶极子单元2连接，另一端与信号源连接。
每个偶极子单元2包括依次间隔套设在固定管1外侧的第一偶极子段21、第二偶极子段22、第三偶极子段23、四个第一电阻24及四个第二电阻25；其中，第一偶极子段21靠近固定管1的中部设置，第三偶极子段23靠近固定管1的端部设置；其中一个偶极子单元2中的第一偶极子段21与另一个偶极子单元2中的第一偶极子段21之间相互靠近，且间隔设置；馈电孔4设置在两个偶极子单元2的第一偶极子段21之间的缝隙处。
四个第一电阻24均匀对称分布在第一偶极子段21与第二偶极子段22的缝隙处，相邻两个第一电阻24的夹角为90°；第一偶极子段21与第二偶极子段22通过第一电阻24连接，第一电阻24的一端与第一偶极子段21连接，另一端与第二偶极子段22的一端连接；四个第二电阻25均匀对称分布在第二偶极子段22与第三偶极子段23的缝隙处，相邻两个第二电阻25的夹角为90°；第二偶极子段22与第三偶极子段23通过第二电阻25连接，第二电阻25的一端与第二偶极子段22的另一端连接，第二电阻25的另一端与第三偶极子段23连接。
加载电阻3设置在两个偶极子单元2之间的缝隙处，并与馈电孔4对称设置；两个偶极子单元2通过加载电阻3连接；其中，加载电阻3的一端与其中一个偶极子单元2中的第一偶极子段21，加载电阻3的另一端与另一个偶极子单元2中的第一偶极子段21。
同轴线电缆5的内导体与其中一个偶极子单元的第一偶极子段焊接固定，同轴线电缆5的外导体与另一个偶极子单元的第一偶极子段焊接固定；同轴线电缆5包括同轴线本体51及若干铁氧体磁环52，若干铁氧体磁环52依次连续套设在同轴线本体51的外侧；其中，铁氧体磁环52通过热缩管固定在同轴线本体51的外侧。
同轴线电缆5与固定管1之间设置有固定材料层6，固定材料层6为中空圆环状结构，同轴线电缆5穿设在固定材料层6的中心孔中；其中，固定材料层6的内圈与同轴线电缆5中的铁氧体磁环51的外侧紧贴设置，固定材料层6的外圈与固定管1的内壁紧贴设置。
本实施例中，固定管1采用PVC管；第一偶极子段21、第二偶极子段22及第三偶极子段23均采用铜箔制偶极子；铁氧体磁环52采用镍锌铁氧体磁环；固定材料层6采用泡沫橡胶材料。
以下对本实施例中的偶极子探地雷达天线的具体参数进行说明。
本实施例中，PVC管的长度为400mm，外径为40mm，壁厚2mm；铜箔制偶极子的厚度小于0.2mm；镍锌铁氧体磁环的外径为7.8mm，内径为4.5mm，每个镍锌铁氧体磁环的长度为20mm，所有镍锌铁氧体磁环均匀连续加载在同轴线本体的外侧；固定材料层采用外径为36mm，内径为20mm的泡沫橡胶材料层。
两个偶极子单元2之间的间隙为6mm，偶极子单元的外径为40mm；第一偶极子段21的长度为100mm，第二偶极子段22的长度为20mm，第三偶极子段23的长度为50mm；第一偶极子段21与第二偶极子段22之间的缝隙宽度为2mm，第二偶极子段22与第三偶极子段23之间的缝隙宽度为2mm。
每个第一电阻24的阻值均为38Ω，每个第二电阻25的阻值均为80Ω，加载电阻3的阻值为150Ω。
如附图4所示，附图4中给出本实施例所述的偶极子探地雷达天线的回波损耗测试结果图，从附图4中可以看出，在200MHz-900MHz频带内，回波损耗小于-10dB，满足天线回波损耗的指标要求；如附图5-6所示，附图5中给出了本实施例所述的偶极子探地雷达天线在350MHz，
Figure BDA0003180856510000091
时的辐射方向图，附图6中给出了本实施例所述的偶极子探地雷达天线在350MHz，
Figure BDA0003180856510000092
时的辐射方向图；从附图5-6中可以看出，本实施例所述的偶极子探地雷达天线具有良好的全向特性。
本实施例所述的偶极子探地雷达天线，包括固定管，两个偶极子单元对称设置在固定管外侧；在两个偶极子单元之间的缝隙处设置单个加载电阻，加载电阻与馈电孔对称设置；每个偶极子单元采用偶极子段分段设置，并在相邻偶极子段的缝隙处设置四个电阻，四个电阻依次旋转90°对称分布；同轴线电缆贯穿设置在固定管中，并嵌设在固定管内的泡沫橡胶材料中；铁氧体磁环加载在同轴线本体上，形成新型巴伦结构，作为同轴线电缆进行馈电；偶极子单元由双导铜箔经加工在固定管上制作得到，天线的两臂结构相同对称放置，两个偶极子单元的馈电点距离6mm；去除固定管外露段40mm，总长度354mm；在固定管内部嵌有泡沫橡胶材料，对加载磁环的同轴线本体进行固定，能够有效减少天线使用过程中同轴线在管内部晃动带来的影响，从而提高了天线性能的稳定性。
本发明所述的偶极子探地雷达天线，偶极子单元由加载铁氧体磁环的同轴线进行馈电，铁氧体磁环外用热缩管进行固定，利用铁氧体磁环的高阻扼流功能，能够有效扼制偶极子单元臂上电流流向同轴线外表面，实现了平衡馈电，避免了方向图的畸变，实现了全向天线；偶极子单元都分为三段，每段之间的缝隙通过加载四个90°对称分布的电阻进行连接，电阻能够有效减少偶极子末端的电流反射，从而拓展带宽实现超宽带天线，有利于扼制钻孔雷达系统中接收信号的拖尾时长，相对带宽高达200％，实现了超宽带；能够显著提高探地雷达系统，尤其是钻孔雷达系统的探测精度；通过铁氧体磁环加载的同轴线进行馈电，完成了天线平衡-不平衡的转换，实现了平衡馈电。
本发明，采用铜箔加工在PVC管上可以使天线整体重量大幅度减轻，成本低，方便户外钻孔测试，在PVC管内部嵌有泡沫橡胶，对加载铁氧体磁环的同轴线进行固定，能够有效减少天线使用过程中同轴线在PVC管内部晃动带来的影响，从而提高了天线性能的稳定性。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (10)

1.一种偶极子探地雷达天线，其特征在于，包括固定管(1)、两个偶极子单元(2)及同轴线电缆(5)；两个偶极子单元(2)对称套设在固定管(1)的外侧，两个偶极子单元(2)间隔设置；两个偶极子单元(2)之间的缝隙处设置有馈电孔(4)；
同轴线电缆(5)贯穿设置在固定管(1)中，同轴线电缆(5)的一端贯穿馈电孔(4)后分别与两个偶极子单元连接，另一端与信号源连接；同轴线电缆(5)包括同轴线本体(51)及若干铁氧体磁环(52)，若干铁氧体磁环(52)依次连续套设在同轴线本体(51)的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种偶极子探地雷达天线，其特征在于，还包括加载电阻(3)；加载电阻(3)设置在两个偶极子单元(2)之间的缝隙处，并与馈电孔(4)对称设置；两个偶极子单元(2)通过加载电阻(3)连接。
3.根据权利要求1所述的一种偶极子探地雷达天线，其特征在于，每个偶极子单元(2)包括依次间隔套设在固定管(1)外侧的第一偶极子段(21)、第二偶极子段(22)、第三偶极子段(23)、若干第一电阻(24)及若干第二电阻(25)；其中，第一偶极子段(21)靠近固定管(1)的中部设置，第三偶极子段(23)靠近固定管(1)的端部设置；
若干第一电阻(24)均匀分布在第一偶极子段(21)与第二偶极子段(22)的缝隙处，第一偶极子段(21)与第二偶极子段(22)通过第一电阻(24)连接；若干第二电阻(25)均匀分布在第二偶极子段(22)与第三偶极子段(23)的缝隙处，第二偶极子段(22)与第三偶极子段(23)通过第二电阻(25)连接。
4.根据权利要求1所述的一种偶极子探地雷达天线，其特征在于，同轴线电缆(5)的内导体与其中一个偶极子单元连接，同轴线电缆(5)的外导体与另一个偶极子单元连接。
5.根据权利要求1所述的一种偶极子探地雷达天线，其特征在于，同轴线电缆(5)与固定管(1)之间设置固定材料层(6)。
6.根据权利要求1所述的一种偶极子探地雷达天线，其特征在于，铁氧体磁环(52)通过热缩管固定在同轴线本体(51)的外侧。
7.根据权利要求3所述的一种偶极子探地雷达天线，其特征在于，固定管(1)采用PVC管；第一偶极子段(21)、第二偶极子段(22)及第三偶极子段(23)均采用铜箔制偶极子。
8.根据权利要求3所述的一种偶极子探地雷达天线，其特征在于，两个偶极子单元(2)之间的间隙为6mm，偶极子单元的外径为40mm；其中，第一偶极子段(21)的长度为100mm，第二偶极子段(22)的长度为20mm，第三偶极子段(23)的长度为50mm；第一偶极子段(21)与第二偶极子段(22)之间的缝隙宽度为2mm，第二偶极子段(22)与第三偶极子段(23)之间的缝隙宽度为2mm。
9.根据权利要求3所述的一种偶极子探地雷达天线，其特征在于，第一电阻(24)及第二电阻(25)的个数分别为四个，相邻第一电阻(24)或相邻第二电阻(25)的夹角为90°。
10.一种探地雷达系统，其特征在于，所述探地雷达系统包括权利要求1-9任意一项所述的偶极子探地雷达天线。
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