CN114374088A - 一种平面超宽带探地雷达天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面超宽带探地雷达天线，包括两个枝节单元，两个枝节单元对称设置在介质基板的上表面，两个枝节单元之间设置有馈电间隙；所述馈电结构设置在所述馈电间隙处，所述馈电结构的输出端分别与两个枝节单元相连；枝节单元包括设置在介质基板上表面的两个第一枝节、两个第二枝节及第三枝节；其中，两个第一枝节平行间隔设置；两个第二枝节平行间隔设置，且均位于两个第一枝节之间；第三枝节设置在两个第二枝节之间；第一枝节、第二枝节及第三枝节的长度依次递增；本发明中利用不同长度的枝节形成了多个谐振点，有效拓展了带宽，实现了超宽带，保证钻孔雷达系统中信号的有效辐射，提高了雷达系统性能。

Description

一种平面超宽带探地雷达天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种平面超宽带探地雷达天线。
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，其形式并没有像地面探地雷达天线那样多种多样；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；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，本发明提供了一种平面超宽带探地雷达天线，以解决普通偶极子天线通常有效工作带宽不够导致雷达性能不足的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明公开了一种平面超宽带探地雷达天线，包括馈电结构、两个枝节单元及介质基板；两个枝节单元对称设置在介质基板的上表面，两个枝节单元之间设置有馈电间隙；所述馈电结构设置在所述馈电间隙处，所述馈电结构的输出端分别与两个枝节单元相连；
枝节单元包括设置在介质基板上表面的两个第一枝节、两个第二枝节及第三枝节；其中，两个第一枝节平行间隔设置；两个第二枝节平行间隔设置，且均位于两个第一枝节之间；第三枝节设置在两个第二枝节之间；相邻的第一枝节与第二枝节之间设置有缝隙，相邻的第二枝节与第三枝节之间设置有缝隙；第一枝节、第二枝节及第三枝节的长度依次递增。
进一步的，第一枝节、第二枝节及第三枝节分别加载有分布式电阻。
进一步的，第一枝节上加载有第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻间隔设置在第一枝节上；其中，第一电阻靠近馈电缝隙一端设置，第二电阻远离馈电缝隙一端设置；
第二枝节上加载有第三电阻和第四电阻，第三电阻和第四电阻间隔设置在第二枝节上；其中，第三电阻靠近馈电缝隙一端设置，第四电阻远离馈电缝隙一端设置；
第三枝节上加载有第五电阻和第六电阻，第五电阻和第六电阻间隔设置在第三枝节上；其中，第五电阻靠近馈电缝隙一端设置，第六电阻远离馈电缝隙一端设置。
进一步的，第一电阻、第三电阻及第五电阻的阻值相同；第二电阻、第四电阻及第六电阻的阻值相同。
进一步的，第一枝节上设置有两个第一加载缝隙，第一电阻和第二电阻分别设置在两个第一加载缝隙处；第二枝节上设置有两个第二加载缝隙，第三电阻和第四电阻分别设置在两个第二加载缝隙处；第三枝节上设置有两个第三加载缝隙，第五电阻和第六电阻分别设置在两个第一加载缝隙处；其中，第一加载缝隙、第二加载缝隙及第三加载缝隙的宽度均为1-3mm。
进一步的，馈电结构包括SMA射频同轴连接器及巴伦变压器；SMA射频同轴连接器的输入端与信号源连接，SMA射频同轴连接器的输出端与巴伦变压器的输入端连接，巴伦变压器的输出端分别与两个枝节单元相连。
进一步的，巴伦变压器采用1:4集总巴伦变压器。
进一步的，介质基板采用环氧玻璃纤维布基板。
进一步的，第一枝节的长度为第三枝节33长度的0.7-0.8倍；第二枝节的长度为第三枝节长度的0.6-0.7倍；相邻的第一枝节与第二枝节之间的缝隙宽度为3mm；相邻的第二枝节与第三枝节之间的缝隙宽度为3mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种平面超宽带探地雷达天线，通过在介质基板上设置两个枝节单元，作为天线的双臂；每个枝节单元采用三种不同长度的枝节构成，不同长度的枝节形成了多个谐振点，有效拓展了带宽，实现了超宽带，保证钻孔雷达系统中信号的有效辐射，提高了雷达系统性能。
进一步的，通过在枝节上加载分布式电阻，利用加载的分布式电阻减少天线末端电流反射，实现了带宽的拓展。
进一步的，通过在不同长度的枝节上分别加载两个电阻，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，有利于扼制钻孔雷达系统中接收信号的拖尾时长，有效提高了钻孔雷达系统的探测精度。
进一步的，馈电结构采用SMA射频同轴连接器及巴伦变压器，天线馈电经过巴伦变压器，使天线阻抗与馈电同轴线的阻抗相匹配，同时进行平衡与不平衡的之间的转换，确保了天线两臂上的电流相等，避免了天线方向图的畸变。
附图说明
图1为实施例所述的平面超宽带探地雷达天线的整体结构示意图；
图2为实施例所述的平面超宽带探地雷达天线中的枝节结构示意图；
图3为实施例中平面超宽带探地雷达天线的回波损耗测试结果图；
图4为实施例中平面超宽带探地雷达天线在200MHz，
Figure BDA0003483412760000042
时的辐射方向图；
图5为实施例中平面超宽带探地雷达天线在200MHz，
Figure BDA0003483412760000041
时的辐射方向图。
其中，1SMA射频同轴连接器，2巴伦变压器，3枝节单元，4介质基板；31第一枝节，31第二枝节，33第三枝节；311第一电阻，312第二电阻；321第三电阻，322第四电阻；331第五电阻，332第六电阻。
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。
本发明提供了一种平面超宽带探地雷达天线，包括馈电结构、两个枝节单元3及介质基板4；两个枝节单元3对称设置在介质基板4的上表面，两个枝节单元3之间设置有馈电间隙；所述馈电结构设置在所述馈电间隙处，所述馈电结构的输出端分别与两个枝节单元3相连。
馈电结构包括SMA射频同轴连接器1及巴伦变压器2；SMA射频同轴连接器1的输入端与信号源连接，SMA射频同轴连接器1的输出端与巴伦变压器2的输入端连接，巴伦变压器2的输出端分别与两个枝节单元3相连；馈电结构采用SMA射频同轴连接器及巴伦变压器，天线馈电经过巴伦变压器，使天线阻抗与馈电同轴线的阻抗相匹配，同时进行平衡与不平衡的之间的转换，确保了天线两臂上的电流相等，避免了天线方向图的畸变；优选的，巴伦变压器2采用1:4集总巴伦变压器。
枝节单元3包括设置在介质基板4上表面的两个第一枝节31、两个第二枝节32及第三枝节33；其中，两个第一枝节31平行间隔设置；两个第二枝节32平行间隔设置，且均位于两个第一枝节31之间；第三枝节33设置在两个第二枝节32之间，且第三枝节33位于介质基板4的长轴方向的中心线上。
本发明中，枝节单元3靠近馈电缝隙一端处设置有渐变结构，第一枝节31、第二枝节32及第三枝节33通过渐变结构连接在一起；渐变结构的一端与第一枝节31、第二枝节32及第三枝节33相连，渐变结构的另一端靠近馈电缝隙的中心设置，并与巴伦变压器2的输出端相连。
相邻的第一枝节31与第二枝节32之间设置有缝隙，相邻的第二枝节32与第三枝节33之间设置有缝隙；优选的，相邻的第一枝节31与第二枝节32之间的缝隙宽度为3mm；相邻的第二枝节32与第三枝节33之间的缝隙宽度为3mm。
本发明中，第一枝节31、第二枝节32及第三枝节33的长度依次递增；优选的，第一枝节31的长度为第三枝节33长度的0.7-.08倍；第二枝节32的长度为第三枝节33长度的0.6-0.7。
第一枝节31、第二枝节32及第三枝节33分别加载有分布式电阻，通过在枝节上加载分布式电阻，利用加载的分布式电阻减少天线末端电流反射，实现了带宽的拓展。
本发明中，第一枝节31上加载有第一电阻311和第二电阻312，第一电阻311和第二电阻312间隔设置在第一枝节31上；其中，第一电阻311靠近馈电缝隙一端设置，第二电阻312远离馈电缝隙一端设置；第二枝节32上加载有第三电阻321和第四电阻322，第三电阻321和第四电阻322间隔设置在第二枝节32上；其中，第三电阻321靠近馈电缝隙一端设置，第四电阻322远离馈电缝隙一端设置；第三枝节33上加载有第五电阻331和第六电阻332，第五电阻331和第六电阻332间隔设置在第三枝节33上；其中，第五电阻331靠近馈电缝隙一端设置，第六电阻332远离馈电缝隙一端设置；优选的，第一电阻311、第三电阻321及第五电阻331的阻值相同；第二电阻312、第四电阻322及第六电阻332的阻值相同；通过在不同长度的枝节上分别加载两个电阻，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，有利于扼制钻孔雷达系统中接收信号的拖尾时长，有效提高了钻孔雷达系统的探测精度。
第一枝节31上设置有两个第一加载缝隙，第一电阻311和第二电阻312分别设置在两个第一加载缝隙处；第二枝节32上设置有两个第二加载缝隙，第三电阻321和第四电阻322分别设置在两个第二加载缝隙处；第三枝节33上设置有两个第三加载缝隙，第五电阻331和第六电阻332分别设置在两个第一加载缝隙处；优选的，第一加载缝隙、第二加载缝隙及第三加载缝隙的宽度均为1-3mm。
本发明中，第一枝节31、第二枝节32及第三枝节33均采用沉银工艺制作而成；介质基板4采用环氧玻璃纤维布基板。
工作原理：
本发明所述的平面超宽带探地雷达天线，所述天线的主体为加工在介质基板上的印刷枝节；使用时，电磁信号通过SMA射频同轴连接器馈入，通过枝节单元向外辐射电磁波；通过在SMA射频同轴连接器和枝节单元之间添加1:4集总变压器巴伦，实现SMA射频同轴连接器的特性阻抗50Ω到天线特征阻抗200Ω的阻抗变换，保证天线的有效辐射；同时，将每个枝节单元分为五条枝节，共三种不同长度枝节，形成三个谐振点，从而能够拓展带宽，提高天线探测性能；并且，通过在不同长度的枝节上分布加载电阻，利用加载电阻有效吸收天线末端反射的电流，进一步增加了带宽，实现了超宽带，减少末端反射的电流，有利于扼制钻孔雷达系统中接收信号的拖尾时长，有效提高了钻孔雷达系统的探测精度。
本发明所述的平面超宽带探地雷达天线，通过在介质基板4上设置两个枝节单元3，作为天线的双臂；每个枝节单元3采用三种不同长度的枝节构成，不同长度的枝节形成了多个谐振点，有效拓展了带宽，实现了超宽带，保证钻孔雷达系统中信号的有效辐射，提高了雷达系统性能。
实施例
如附图1-2所示，本实施例提供一种平面超宽带探地雷达天线，SMA射频同轴连接器1、巴伦变压器2、两个枝节单元3及介质基板4；两个枝节单元3对称设置在介质基板4的上表面，并分别位于介质基板4的短轴中心线两侧；两个枝节单元之间设置有馈电间隙，馈电中心与介质基板4的中心重合。
SMA射频同轴连接器1及巴伦变压器2均位于馈电间隙处；SMA射频同轴连接器1的输入端与信号源连接，SMA射频同轴连接器1的输出端与巴伦变压器2的输入端连接，巴伦变压器2的输出端分别与两个枝节单元3相连；本实施例中，巴伦变压器2采用1:4集总巴伦变压器，其型号为MCL T4-1+。
枝节单元3包括设置在介质基板4上表面的两个第一枝节31、两个第二枝节32及第三枝节33；其中，两个第一枝节31平行间隔设置；两个第二枝节32平行间隔设置，且均位于两个第一枝节31之间；第三枝节33设置在两个第二枝节32之间，且第三枝节33位于介质基板4的长轴方向的中心线上。
枝节单元3靠近馈电缝隙一端处设置有渐变结构，第一枝节31、第二枝节32及第三枝节33通过渐变结构连接在一起；渐变结构的一端与第一枝节31、第二枝节32及第三枝节33相连，渐变结构的另一端靠近馈电缝隙的中心设置，并与巴伦变压器2的输出端相连。
所述渐变结构包括第一斜枝节、连接枝节及第二斜枝节，连接枝节设置在第三枝节33的端部，并靠近馈电中心一端设置；第一斜枝节的一端与其中一个第一枝节相连，另一端与连接枝节的一端相连；第一斜枝节的中部与其中一个第二枝节的端部相连；第二斜枝节的一端与另一个第一枝节相连，另一端与连接枝节的另一端相连；第二斜枝节的中部与另一个第二枝节的端部相连；所述渐变结构与枝节单元3的制作工艺完全相同。
相邻的第一枝节31与第二枝节32之间设置有缝隙，相邻的第二枝节32与第三枝节33之间设置有缝隙；其中，相邻的第一枝节31与第二枝节32之间的缝隙宽度为3mm；相邻的第二枝节32与第三枝节33之间的缝隙宽度为3mm。
第一枝节31、第二枝节32及第三枝节33分别加载有分布式电阻，通过在枝节上加载分布式电阻，利用加载的分布式电阻减少天线末端电流反射，实现了带宽的拓展。
本实施例中，第一枝节31上加载有第一电阻311和第二电阻312，第一电阻311和第二电阻312间隔设置在第一枝节31上；其中，第一电阻311靠近馈电缝隙一端设置，第二电阻312远离馈电缝隙一端设置；第二枝节32上加载有第三电阻321和第四电阻322，第三电阻321和第四电阻322间隔设置在第二枝节32上；其中，第三电阻321靠近馈电缝隙一端设置，第四电阻322远离馈电缝隙一端设置；第三枝节33上加载有第五电阻331和第六电阻332，第五电阻331和第六电阻332间隔设置在第三枝节33上；其中，第五电阻331靠近馈电缝隙一端设置，第六电阻332远离馈电缝隙一端设置；优选的，第一电阻311、第三电阻321及第五电阻331的阻值相同；第二电阻312、第四电阻322及第六电阻332的阻值相同；通过在不同长度的枝节上分别加载两个电阻，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，有利于扼制钻孔雷达系统中接收信号的拖尾时长，有效提高了钻孔雷达系统的探测精度。
第一枝节31上设置有两个第一加载缝隙，第一电阻311和第二电阻312分别设置在两个第一加载缝隙处；第二枝节32上设置有两个第二加载缝隙，第三电阻321和第四电阻322分别设置在两个第二加载缝隙处；第三枝节33上设置有两个第三加载缝隙，第五电阻331和第六电阻332分别设置在两个第一加载缝隙处；优选的，第一加载缝隙、第二加载缝隙及第三加载缝隙的宽度均为2mm。
本实施例中，第一枝节31、第二枝节32及第三枝节33均采用沉银工艺制作而成；介质基板4采用环氧玻璃纤维布基板。
参数说明：
本实施例中，介质基板为长方形板体结构；介质基板的长度为介质基板的长度为100cm，宽度为5cm，厚度为3mm；两个枝节单元之间的馈电间隙的宽度为5mm；枝节单元中第一枝节、第二枝节及第三枝节的厚度为0.0175mm，宽度为5mm；其中，两个第一枝节的长度为308.75mm，两个第二枝节的长度为356.25mm，第三枝节的长度为475mm。
本实施例中，对于第一枝节，第一电阻与馈电中心水平距离为181mm，第二电阻与馈电中心水平距离为217mm；对于第二枝节，第三电阻与馈电中心水平距离为209mm，第四电阻与馈电中心水平距离为251mm；对于第三枝节，第五电阻与馈电中心水平距离为280mm，第二电阻与馈电中心水平距离为336mm；第一电阻、第三电阻及第五电阻的阻值均为10Ω，第二电阻、第四电阻及第六电阻的阻值为20Ω。
如附图3所示，附图3中给出了实施例中平面超宽带探地雷达天线的回波损耗测试结果图；从附图3可以看到，在所述天线的中心频率270MHz，天线S11约为-37dB；-10dB带宽为120MHz-320MHz，相对带宽为74％，满足天线回波损耗的指标要求。
如附图4-5所示，附图4中给出了实施例中平面超宽带探地雷达天线在200MHz，
Figure BDA0003483412760000091
时的辐射方向图，附图5中给出了实施例中平面超宽带探地雷达天线在200MHz，
Figure BDA0003483412760000092
时的辐射方向图；从附图4-5可以看出，该天线在200MHz处增益为1.04dB，且具有良好的全向特性。
本发明所述的平面超宽带探地雷达天线，将两个枝节单元对称分布在介质基板上，分别构成天线的双臂，每个枝节单元包括两个第一枝节、两个第二枝节和一个第三枝节，相邻枝节之间留有缝隙；第一枝节、第二枝节、第三枝节均采用分布式电阻加载，每条枝节均加载两处电阻；每个枝节单元中采用三种不同长度的枝节组合，不同的枝节长度会产生多个谐振点，实现带宽拓展；不同长度的枝节上分别进行分布式电阻加载，用于减少天线末端电流反射，进一步拓展带宽；在天线中心通过SMA射频同轴连接器连接1:4集总变压器巴伦进行馈电，实现阻抗匹配以及平衡馈电。
本发明所述的平面超宽带探地雷达天线，通过将偶极子双臂改进为三种不同长度的枝节，形成多个谐振点，从而拓展了带宽，实现了超宽带，保证了钻孔雷达系统中信号的有效辐射，提高了雷达系统性能；通过在不同长度的枝节上分别加载两个电阻，利用加载电阻有效吸收天线末端反射的电流，进一步增加了带宽，实现了超宽带，有利于扼制钻孔雷达系统中接收信号的拖尾时长，有效提高了钻孔雷达系统的探测精度；所述天线馈电经过1:4的巴伦变压器，使天线阻抗与同轴线阻抗相匹配，同时进行平衡与不平衡的之间的转换，确保了天线两臂上的电流相等，避免了天线方向图的畸变。
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 (9)

1.一种平面超宽带探地雷达天线，其特征在于，包括馈电结构、两个枝节单元(3)及介质基板(4)；两个枝节单元(3)对称设置在介质基板(4)的上表面，两个枝节单元(3)之间设置有馈电间隙；所述馈电结构设置在所述馈电间隙处，所述馈电结构的输出端分别与两个枝节单元(3)相连；
枝节单元(3)包括设置在介质基板(4)上表面的两个第一枝节(31)、两个第二枝节(32)及第三枝节(33)；其中，两个第一枝节(31)平行间隔设置；两个第二枝节(32)平行间隔设置，且均位于两个第一枝节(31)之间；第三枝节(33)设置在两个第二枝节(32)之间；相邻的第一枝节(31)与第二枝节(32)之间设置有缝隙，相邻的第二枝节(32)与第三枝节(33)之间设置有缝隙；第一枝节(31)、第二枝节(32)及第三枝节(33)的长度依次递增。
2.根据权利要求1所述的一种平面超宽带探地雷达天线，其特征在于，第一枝节(31)、第二枝节(32)及第三枝节(33)分别加载有分布式电阻。
3.根据权利要求1或2所述的一种平面超宽带探地雷达天线，其特征在于，第一枝节(31)上加载有第一电阻(311)和第二电阻(312)，第一电阻(311)和第二电阻(312)间隔设置在第一枝节(31)上；其中，第一电阻(311)靠近馈电缝隙一端设置，第二电阻(312)远离馈电缝隙一端设置；
第二枝节(32)上加载有第三电阻(321)和第四电阻(322)，第三电阻(321)和第四电阻(322)间隔设置在第二枝节(32)上；其中，第三电阻(321)靠近馈电缝隙一端设置，第四电阻(322)远离馈电缝隙一端设置；
第三枝节(33)上加载有第五电阻(331)和第六电阻(332)，第五电阻(331)和第六电阻(332)间隔设置在第三枝节(33)上；其中，第五电阻(331)靠近馈电缝隙一端设置，第六电阻(332)远离馈电缝隙一端设置。
4.根据权利要求3所述的一种平面超宽带探地雷达天线，其特征在于，第一电阻(311)、第三电阻(321)及第五电阻(331)的阻值相同；第二电阻(312)、第四电阻(322)及第六电阻(332)的阻值相同。
5.根据权利要求3所述的一种平面超宽带探地雷达天线，其特征在于，第一枝节(31)上设置有两个第一加载缝隙，第一电阻(311)和第二电阻(312)分别设置在两个第一加载缝隙处；第二枝节(32)上设置有两个第二加载缝隙，第三电阻(321)和第四电阻(322)分别设置在两个第二加载缝隙处；第三枝节(33)上设置有两个第三加载缝隙，第五电阻(331)和第六电阻(332)分别设置在两个第一加载缝隙处；其中，第一加载缝隙、第二加载缝隙及第三加载缝隙的宽度均为1-3mm。
6.根据权利要求1所述的一种平面超宽带探地雷达天线，其特征在于，馈电结构包括SMA射频同轴连接器(1)及巴伦变压器(2)；SMA射频同轴连接器(1)的输入端与信号源连接，SMA射频同轴连接器(1)的输出端与巴伦变压器(2)的输入端连接，巴伦变压器(2)的输出端分别与两个枝节单元(3)相连。
7.根据权利要求6所述的一种平面超宽带探地雷达天线，其特征在于，巴伦变压器(2)采用1:4集总巴伦变压器。
8.根据权利要求1所述的一种平面超宽带探地雷达天线，其特征在于，介质基板(4)采用环氧玻璃纤维布基板。
9.根据权利要求1所述的一种平面超宽带探地雷达天线，其特征在于，第一枝节(31)的长度为第三枝节33长度的0.7-0.8倍；第二枝节(32)的长度为第三枝节(33)长度的0.6-0.7倍；相邻的第一枝节(31)与第二枝节(32)之间的缝隙宽度为3mm；相邻的第二枝节(32)与第三枝节(33)之间的缝隙宽度为3mm。
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