CN114678687B - 一种井中雷达超宽带定向天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井中雷达超宽带定向天线，属于天线技术领域。该天线包括金属部分和非金属耐磨层部分组成的外壳、全向偶极子天线、两个半径不同的圆柱面围成的弧面柱状体的铁氧体吸波结构；铁氧体吸波结构的正面设置有弧形凹槽，用于放置全向偶极子天线；全向偶极子天线为弯折结构电阻加载偶极子超宽带天线。本发明天线借助推靠臂紧贴井壁，可以有效降低高电导率、高介电常数泥浆对天线性能的影响，降低辐射信号的损耗，提高井中雷达的径向探测距离；同时由于该天线的定向特性，使得配备该天线的井中雷达系统具有较好的方位分辨能力。

Description

一种井中雷达超宽带定向天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种适用于地球物理勘探的井中雷达超宽带定向天线。

背景技术

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，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)，并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。径向探测距离和目标分辨率是衡量井中雷达系统工作性能的关键指标，其中径向探测距离取决于系统的工作频段和辐射功率大小，而分辨率的大小取决于系统的工作带宽。井中雷达天线辐射的瞬态电磁脉冲是一个超宽带信号，井中雷达系统中的天线必须具备高保真的发射和接收此类超宽带信号的能力，可见超宽带天线是衡量井中雷达系统性能优劣的关键。井中雷达通常由两种工作模式：单孔反射法测量和跨孔透射法测量，其中，单孔测量指发射天线和接收天线位于同一井眼中，跨孔测量则指发射天线和接收天线分别放置于不同的井眼中。

传统的井中雷达系统，通常采用偶极子天线作为收发天线，配置这类全向天线的井中雷达系统，在单孔测量模式下只能确定目标物距离雷达的距离，而无法确定目标物的方位。若要采用此类全向天线对井周目标物进行定位，往往需要利用多个井眼进行跨孔测量。即先将发射天线固定在井眼中的某一深度，接收天线以固定步长在另一口井中依次扫描整个井段；其次，发射天线以固定步长移动一次位置，接收天线再次扫描整个井段；最后，按上述步骤不断重复，直到发射天线依次扫描完整个井段，方可获取两口井之间的地层剖面信息。同样地，将接收天线放置到另一口井中，或收发天线再分别放入另外两口井中，再重复上述测量过程，再获取另一组井间的剖面信息。最终，通过多组井间剖面信息的组合，来确定目标物的位置信息。由此可见，井中雷达跨孔测量模式勘探效率低，且绝大多数工作环境并不具备多口井眼，这常导致跨孔测量工作无法进行。同时，由于钻取一口勘探井的成本较高且工作量大，因此，人们亟需在单孔中完成对目标物的精确定位，而井中雷达系统配置定向天线是实现这一功能的最佳途径。

定向天线的实现形式主要包括3种方案：(1)正交偶极子环路；(2)偶极子天线阵列；(3)偶极子天线、反射板或腔体、以及两者之间的填充介质。为了实现目标定位，前两种方案需要复杂的定位算法和高性能的天线校准系统。由于敏感元器件易受井下温度和系统组件参数变化的影响，因此对由低噪声敏感电子元器件构成的天线校准系统设计带来严峻的挑战；同时，系统配备的校准组件，也无疑增加了系统的复杂性，这对系统的稳定性带来更高的风险。第三种方案需要保证天线和反射板之间的距离间隔为λ_g/4，天线径向尺寸过大，天线带宽受限，常导致天线辐射或接收的波形拖尾严重。综上，通过改进偶极子天线、反射板或腔体及两者之间填充介质的技术路线来设计定向天线，是井中雷达实现目标物定位的最佳方案。井中雷达的应用环境不同，其井眼尺寸、井下的温度和压力、井眼中填充物的种类、填充物及井周地层的电学参数等差异显著，对于井中雷达天线的设计提出了较高的要求。特别是对于地下油气资源勘探的场景，井深通常介于1000～8000m之间，井中雷达工作的裸眼井段直径通常小于216mm，且井中充满水基泥浆。由于泥浆的电导率高达1S/m，导致井中雷达发射天线辐射的电磁脉冲衰减严重；通常泥浆的介电常数约为70，而井周地层的介电常数介于2到15之间，易导致电磁脉冲在井眼内形成振荡且难以有效辐射入原状地层；泥浆的高介电常数还会导致本身匹配良好的天线在泥浆环境中失配，造成激励脉冲信号无法全部馈入天线。由此可见泥浆是影响井中雷达定向天线工作效能发挥的重要因素。

发明内容

本发明针对现有井中雷达天线在定向性能上的缺失和不足，以及在充满泥浆的复杂井眼环境中工作效能低的问题，提出了一种弯折结构电阻加载偶极子-金属腔体-铁氧体吸波结构组合的井中雷达超宽带定向天线。在充满泥浆的裸眼井段工作时，借助推靠臂将定向天线紧贴井壁，挤出天线与井壁接触面之间的泥浆，降低辐射信号的损耗，将尽可能多的能量辐射至原状地层，以提高井中雷达的径向探测距离；本发明可以有效降低高电导率、高介电常数泥浆对天线性能的影响；同时由于该天线的定向特性，使得配备该天线的井中雷达系统具有较好的方位分辨能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种井中雷达超宽带定向天线，包括外壳、全向偶极子天线、铁氧体吸波结构，其特征在于，所述铁氧体吸波结构，为两个半径不同的圆柱面围成的弧面柱状体，其中半径较大的一面为正面，半径较小的一面为背面；铁氧体吸波结构的正面设置有弧形凹槽。

所述全向偶极子天线放置于弧形凹槽内，便于天线的固定、提高组合体的稳定性；所述全向偶极子天线为超宽带天线，以边射的形式，向井中地层辐射一阶高斯脉冲信号。

所述外壳，包括金属部分和非金属耐磨层部分，其中耐磨层部分覆盖于铁氧体吸波结构的正面，金属部分覆盖于铁氧体吸波结构的背面及上下端面。

所述铁氧体吸波结构及外壳的金属部分用于吸收全向偶极子天线后向辐射的电磁波，而前向辐射的电磁波则正常辐射出去。

优选地，所述全向偶极子天线，包括介质基板、设置于介质基板正面且中心对称的两个偶极子臂；所述介质基板为圆柱面形状，贴合放置于弧形凹槽内；偶极子左右两臂的邻近端设置为馈电点；所述偶极子臂包括从馈电点至臂尾依次连接的初始段、渐变段、延长段，其中，所述初始段由馈电端的等腰梯形金属贴片与后续连接的矩形贴片组合而成；所述渐变段为直角梯形金属贴片，所述延长段为线宽一致的弯折矩形金属贴片；所述初始段通过渐变段渐变缩窄并连接延长段；所述延长段设置有若干垂直于延长段长边的缝隙，缝隙内加载有电阻。

优选地，所述延长段为多周期V形弯折结构，用于缩短定向偶极子天线的纵向尺寸，并提高增益。

优选地，所述延长段加载的电阻数量为3个，其加载位置根据全向偶极子天线的半波、全波工作模式的电流分布决定。以第一个加载的电阻为例，选择天线在半波工作模式表面电流降低至最大电流1/2的位置，以及天线在全波工作模式表面电流降低至最大电流1/2的位置，在这两个位置之间加载第一个电阻；同理，第二个电阻加载于最大电流1/4处，第三个电阻加载于最大电流1/5处；最后通过仿真优化确定电阻加载的具体位置。

优选地，所述全向偶极子天线采用平行双线馈电或接有巴伦的同轴线馈电。

优选地，所述铁氧体吸波结构，其正面的柱面半径与井眼半径一致，以便于贴靠井壁后充分的挤出泥浆，实现与井壁的充分贴合；其背面的柱面半径小于正面柱面半径，保证电磁波在后向辐射至金属板，再反射回天线的路径中能量被完全吸收。

本发明的有益效果在于：

天线背部加载的铁氧体吸波结构及作为反射板的外壳金属部分能够吸收全向偶极子天线后向辐射的电磁波，而天线前向所辐射的电磁波可以正常传播出去，从而让天线获得定向辐射能力，使井中雷达系统获得方位分辨力。相对于常规的偶极子+反射板+填充材料结构方案的高剖面(λ_g/4)和窄带宽，本发明具有小剖面(36mm<λ_g/15)、超宽带(88～400MHz)的特性。本发明中的电阻加载偶极子采用弯折结构，提升了天线的低频增益，且缩短了天线的等效物理长度，从工程应用角度上讲，本发明对于天线剖面和天线长度的缩减，提升了系统在复杂井中环境的可靠性；同时还提高了低频增益，从而提高了井中雷达系统的径向探测距离。

相较于其他应用于井中雷达系统的定向天线，本发明在井中充填高损耗、高介电常数填充物的复杂环境具有普适性：对应用于油气资源勘探的工作场景，钻井深度通常会到达3000～10000m，这时需要向井眼中注入泥浆以防止井眼垮塌。泥浆具有相对介电常数高、电导率高的特点。泥浆对于天线性能的影响为：高介电常数会改变天线的阻抗匹配，使脉冲信号源产生的脉冲信号无法正常的馈入天线；吸收天线辐射的电磁能量，降低天线的辐射效率；天线辐射的电磁脉冲会在高介电常数的泥浆和相对较低介电常数的地层界面处形成多次反射，降低雷达系统的信噪比。而本发明在工作时利用推靠臂，将天线的辐射面紧贴井壁一侧，将阻碍天线性能发挥的泥浆挤出，使天线辐射能量尽可能多的辐射至原状地层。天线中不参与电磁能量辐射的背面与泥浆接触，配合其定向构造，使得该天线的匹配特性不受泥浆影响、辐射的电磁脉冲不在井眼中振荡。通过解决了上述三个问题，使定向天线不受泥浆影响，使天线辐射的电磁脉冲信号高保真、高效率的定向辐射出去。

附图说明

图1为本发明定向天线的爆炸结构图；

图2为本发明定向天线的主视图；

图3为本发明定向天线轴向剖面图及轴向爆炸结构图；

图4为本发明定向天线在井中泥浆环境的仿真示意图；

图5为本发明定向天线在理想地下环境和井中泥浆环境的S11；

图6为本发明定向天线在井中泥浆环境的S11；

图7为本发明定向天线在理想地下环境和井中泥浆环境的前向辐射时域波形图；

图8为本发明定向天线在井中泥浆环境的前向辐射时域波形图；

图9为本发明定向天线在理想地下环境和井中泥浆环境中，前向辐射的时域波形保真度互相关函数图；

图10为本发明定向天线在井中泥浆环境中，前向辐射的时域波形保真度互相关函数图；

图11为本发明定向天线在井中泥浆环境的前向和后向辐射时域波形图。

附图标号说明：1-1耐磨层外壳；1-2全向偶极子天线；1-3铁氧体吸波结构；1-4金属外壳；2-1初始段；2-2渐变段；2-3延长段；2-4介质基板；2-a等腰梯形金属贴片；2-b矩形贴片；2-c馈电点；3-1弧形凹槽。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明进行进一步说明。

以一个工作在中心频率150MHz、馈入峰-峰值脉宽为2ns的类一阶高斯脉冲的井中雷达超宽带定向天线为例，如图1所示，该天线包括耐磨外壳1-1、全向偶极子天线1-2、铁氧体吸波结构1-3，金属外壳1-4。

所述铁氧体吸波结构，为两个半径不同的圆柱面围成的弧面柱状体，其中半径较大的一面为正面，半径较小的一面为背面；铁氧体吸波结构的正面设置有弧形凹槽3-1,如图3所示；其中正面半径尺寸参考具体井眼的尺寸，即井眼直径。

所述外壳，包括金属部分和非金属耐磨层部分，其中耐磨层部分覆盖于铁氧体吸波结构的正面，金属部分覆盖于铁氧体吸波结构的背面及上下端面。井中雷达天线在工作时会贴向井壁一侧，并向上下移动，故天线正面附有耐磨层保护，以防止天线的印刷贴片及印刷贴片上的加载电阻在移动时受到磨损。当电磁波通过铁氧体吸波结构时，铁氧体吸波结构将电磁波能量转化为热能消耗掉。所以，偶极子天线全向辐射电磁波时，一侧的能量被铁氧体吸波结构吸收，另一侧的能量正常辐射，从而使得天线获得定向能力。若使用性能更加优异的铁氧体材料，可以进一步缩小铁氧体的厚度，从而进一步降低天线剖面。

所述全向偶极子天线为中心对称的超宽带天线，以边射的形式，向井中地层辐射电磁脉冲信号。如图2所示，全向偶极子天线包括圆柱面形状的介质基板2-4、设置于介质基板正面且中心对称的两个偶极子臂，所述偶极子左右两臂的邻近端设置为馈电点2-c；介质基板为厚1.2mm、相对介电常数ε_r＝4.3的FR-4介质基板；全向偶极子天线贴合放置于弧形凹槽内，便于天线的固定并提高组合体的稳定性。

所述偶极子臂包括从馈电点至臂尾依次连接的初始段2-1、渐变段2-2、延长段2-3；所述初始段由馈电端的等腰梯形金属贴片2-a与后续连接的矩形贴片2-b组合而成；所述渐变段为直角梯形金属贴片，所述延长段为线宽一致的多周期V形弯折结构，用于缩短定向偶极子天线的纵向尺寸，并提高天线增益；所述初始段通过渐变段渐变缩窄并连接延长段；所述延长段设置有3个垂直于延长段长边的缝隙，缝隙内依次加载有电阻R1、R2、R3。

关于初始段的设计：因为天线横向尺寸的限制，若设计为扇形偶极子则会让天线宽度远远超过井眼直径。故本发明中只将天线臂的前部设计为宽带天线中的梯形结构，该结构可以些许改善天线宽带匹配，提升天线带宽。

关于渐变段的设计：渐变段从初始段末尾开始，其横向尺寸向一侧逐渐减小。最后构成直角梯形结构。该渐变段的长短，即直角梯形的高，根据偶极子天线工作在半波、全波、3/2波长下的电流分布特征决定，通常为该天线单臂总长度的三分之一。渐变段末尾，即直角梯形的上底，是后续延长段V形结构的起点，应在保证弯折段布线的前提下，提升其宽度。

关于延长段和电阻加载的选择和设计：延长段为V形结构弯折，并在弯折处的外侧倒角。V形结构弯折的节数取决于工作频率和天线的纵向尺寸。工作频率越低，天线的纵向尺寸越长，所需要的V形结构弯折的节数越多。在V形结构的臂上设置纵向缝隙，以供焊接电阻。通过焊接电阻的方式来完成电阻加载，以串联的方式布置于偶极子天线的延长段上。通过偶极子天线的半波工作模式和全波工作模式来确定电阻加载的位置，以第一个加载电阻R1为例，先确定该偶极子天线的半波工作模式和全波工作模式的电流分布，然后找到两个工作模式中，电流降低至1/2时，在天线上对应的两个位置，然后在这两个位置之间选择第一个电阻的加载位置。同理，第二个电阻R2和第三个电阻R3选择电流降低至1/4和1/5处进行加载。

常规的偶极子天线工作于谐振状态，而本发明中的弯折结构电阻加载偶极子天线工作于行波状态。将延长段弯折并加载电阻后，其工作带宽会向高频移动。通过调整加载电阻阻值，以及弯折结构的节数、弯折角度，来调整天线的工作频率。同时，常规的偶极子+反射板结构，带宽较小，偶极子和反射板的距离通常为λ/4(λ为偶极子天线工作频率所对应的波长)，且反射板的尺寸要足够大。而本发明的铁氧体吸波结构的功能是能量吸收，故腔体的剖面可以大幅降低，其剖面高度和宽度只需保证：(1)铁氧体能够充分吸收天线后向辐射的电磁能量；(2)金属背腔不会与天线产生短路效应。

本发明中的弯折结构电阻加载偶极子天线，通过加载电阻和弯折结构来降低天线的选频特性，提升其带宽。换言之，该设计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。增大初始段金属贴片的宽度，可以总体降低天线的阻抗；减小初始段金属贴片的宽度，可以总体提升天线的阻抗；通过改变初始段金属贴片的宽度，调整天线阻抗，从而实现与脉冲信号源和接收机的阻抗匹配。

由于本天线是用于地下环境探测的井中雷达天线，其工作环境不同于工作在空气媒质中的常规天线。井中雷达天线工作于井眼之中，周围环境通常为介电常数介于2到15之间的损耗介质，尤其是在油气资源勘探领域，由于钻井的深度过深，通常会向井中注入泥浆，以防止井眼垮塌。泥浆的高电导率、高介电常数，进一步恶化了天线的工作环境。出于上述因素的考虑，本发明以工作于碳酸盐岩地层中的超宽带天线为例，设置了两个模型：(1)设置背景的相对介电常数为9以逼近碳酸盐岩地层环境，同时设置高20m、直径216mm的空气介质圆柱体以模拟填充空气的井眼，将天线放置于空气柱体中心进行仿真；(2)设置背景的相对介电常数为9，设置一个高20m、直径216mm的圆柱体(其相对介电常数ε_r＝70、电导率σ＝1S/m)模拟充填泥浆的井眼，如图4所示，先将天线放置于泥浆柱体的正中心，然后横向移动以使得天线的辐射面与圆柱体的弧面相切，以模拟推靠至井壁的天线。

在井周地层相对介电常数ε_r＝9的地层环境中，在井眼中分别填充泥浆和空气，仿真所得天线的-10dB阻抗带宽，天线带宽均为88～450MHz，几乎无差别，如图5和图6所示。同时，如图7-图10所示，在这两种环境中，天线辐射的前向波形亦基本相同，波形保真度高，由于超宽带天线辐射时域信号时具有微分效应，脉冲信号源馈入的类一阶高斯脉冲经天线辐射后会微分为类二阶高斯脉冲。在井眼分别充填泥浆和空气两种介质的情况下，该天线辐射的脉冲与类二阶高斯脉冲的互相关数值均高于0.9，说明该天线在有无泥浆的井眼环境中，都可以做到良好匹配，不受损耗介质影响的辐射出高保真的高斯脉冲信号。如图11所示，在泥浆环境中，该天线辐射的前向与后向高斯脉冲峰-峰值前后比为10:1，说明该天线在泥浆环境中具有良好的定向性，可以满足油气资源勘探复杂地质环境的工作需求。

Claims (5)

1.一种井中雷达超宽带定向天线，包括外壳、全向偶极子天线、铁氧体吸波结构，其特征在于，所述铁氧体吸波结构，为两个半径不同的圆柱面围成的弧面柱状体，其中半径较大的一面为正面，半径较小的一面为背面；铁氧体吸波结构的正面设置有弧形凹槽；

所述全向偶极子天线放置于弧形凹槽内；所述全向偶极子天线为超宽带天线，以边射的形式，向井中地层辐射一阶高斯脉冲信号；

所述外壳，包括金属部分和非金属耐磨层部分，其中耐磨层部分覆盖于铁氧体吸波结构的正面，金属部分覆盖于铁氧体吸波结构的背面及上下端面；

所述铁氧体吸波结构及外壳的金属部分用于吸收全向偶极子天线后向辐射的电磁波，而前向辐射的电磁波则正常辐射出去；

所述全向偶极子天线，包括介质基板、设置于介质基板正面且中心对称的两个偶极子臂；所述介质基板为圆柱面形状，贴合放置于弧形凹槽内；左右两个偶极子臂的邻近端设置为馈电点；所述偶极子臂，包括从馈电点至臂尾依次连接的初始段、渐变段、延长段，其中，所述初始段由馈电端的等腰梯形金属贴片与后续连接的矩形贴片组合而成；所述渐变段为直角梯形金属贴片，所述延长段为线宽一致的弯折矩形金属贴片；所述初始段通过渐变段渐变缩窄并连接延长段；所述延长段设置有若干垂直于延长段长边的缝隙，缝隙内加载有电阻。

2.如权利要求1所述的一种井中雷达超宽带定向天线，其特征在于，所述延长段为多周期V形弯折结构，用于缩短定向偶极子天线的纵向尺寸，并提高增益。

3.如权利要求1或2所述的一种井中雷达超宽带定向天线，其特征在于，所述延长段加载的电阻数量为3个，其加载位置根据全向偶极子天线的半波、全波工作模式的电流分布决定。

4.如权利要求1所述的一种井中雷达超宽带定向天线，其特征在于，所述全向偶极子天线采用平行双线馈电或接有巴伦的同轴线馈电。

5.如权利要求1所述的一种井中雷达超宽带定向天线，其特征在于，所述铁氧体吸波结构，其正面的柱面半径与井眼半径一致；其背面的柱面半径小于正面柱面的半径，保证电磁波在后向辐射至金属板，再反射回天线的路径中能量被完全吸收。