CN114725670A - 一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，包括第一介质基板、第二介质基板、微带天线和馈电线，所述馈电线的短边固定连接所述微带天线的长边；所述微带天线和馈电线均呈矩形，且均位于所述第一介质基板和第二介质基板之间。本发明一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线，微带双层天线将微带天线与微带馈电线进行分层处理，当微带双层用于结构健康监测时，待监测结构上存在水平方向的作用力只会使微带馈电线产生形变，不会对微带天线产生影响，从而减少外界因素对微带天线进行结构健康监测时的工作频率的影响，保证微带天线工作频率偏移只与待测结构的参数变化相关。

Description

一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，特别涉及一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构。
背景技术
随着大型结构物的老化和环境腐蚀，包括大型飞机、钢结构建筑、大跨度桥梁、核电站等，在结构长期服役过程中，特别是在恶劣环境下，工程人员很难发现铝板裂纹引发的破坏。5052铝板在结构体中被广泛使用，5052铝板是一种AL-Mg系合金铝板，镁是主要的合金元素，是应用最广的一种防锈铝。由于5052铝板是结构体重要的组成，因此对5052铝板进行结构健康监测很有必要。使用微带贴片天线的无线传感器能够很迅速、准确的大型结构自组织维修的合适选择，利用其应变与谐振频率偏移百分比之间存在线性关系的特性，使其能够很好的用于结构体变化的监测。
由于单层的微带贴片天线紧贴在铝板表面，当铝板受到挤压产生的形变会使附着在铝板表面的天线也受到挤压而造成结构形变，天线的谐振频率偏移可以反映铝板的裂纹产生的情况，但是单一谐振频率的天线无法对裂纹产生的长度、宽度、相对位置和倾斜角度的变化等多变量变化进行检测，双频天线则可以比较好的刻画裂纹的多重变量。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，外部作用力无法使得微带天线部分产生形变，减少待检测金属结构进行裂纹检测过程中的误差影响，使得矩形微带天线进行裂纹检测时更加准确无误。
为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，包括第一介质基板、第二介质基板、微带天线和馈电线，其中：
所述馈电线的短边固定连接所述微带天线的长边；
所述微带天线和馈电线均呈矩形，且均位于所述第一介质基板和第二介质基板之间。
进一步的，所述第一介质基板具有第一平面，所述第一平面与所述微带天线的顶面紧密贴合，所述第一平面与所述馈电线的顶面紧密贴合；
所述第二介质基板具有第二平面，所述第二平面与所述微带天线的底面紧密贴合，所述第二平面与所述馈电线的底面紧密贴合。
优选的，所述第一介质基板和第二介质基板的形状相同，均为100mm*100mm*1.6mm的长方体。
优选的，所述第一介质基板的材料为FR4。
优选的，所述第一介质基板的介电常数为4.4。
优选的，所述第二介质基板的材料为Rogers 5880。
优选的，所述第二介质基板的介电常数为2.2。
优选的，所述微带天线包括两个谐振频率f01和f10，且f01＝1.82GHz、f10＝2.34GHz。
优选的，所述微带天线的长边为38.3mm、短边为25.7mm。
优选的，所述馈电线的长边为30mm，短边为2mm。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本申请一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线，微带双层天线将微带天线与微带馈电线进行分层处理，当微带双层用于结构健康监测时，待监测结构上存在水平方向的作用力只会使微带馈电线产生形变，不会对微带天线产生影响，即外部作用力无法使得微带天线部分产生形变，从而减少外界因素对微带天线进行结构健康监测时的工作频率的影响，保证微带天线工作频率偏移只与待测结构的参数变化相关。同时，也有效减少待检测金属结构进行裂纹检测过程中的误差影响，使得矩形微带天线进行裂纹检测时更加准确无误。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是本发明一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构的爆炸结构示意图；
图2是本发明一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构的正视图；
图3是本发明一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构的后视图；
图4是本发明一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构的侧视图；
图5是铝板无裂痕时微带双层矩形天线的S21参数变化图；
图6是铝板产生裂痕时微带双层矩形天线S21参数变化图。
【主要符号说明】
1-第一介质基板；
2-第二介质基板；
3-微带天线；
4-馈电线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供了一种反映铝板裂纹信息的方法，为更清楚的描述本发明的方案。下面先介绍一些本申请实施例提供的反映铝板裂纹信息的方法所涉及的知识。
1.频率偏移：
当金属铝板裂纹以不同长度、宽度、相对角度和相对位置出现在金属表面，金属表面电流的流动方向和流动路径都会出现不同的变化。相对于微带天线水平的金属铝板裂纹与相对于微带天线垂直的铝板裂纹对电流的流动方向和流动路径是不同的，则会导致微带天线的电长度不同，也就会使得不同长度、宽度、相对方向和不同位置的金属对应着不同的谐振频率偏移，因此可以通过监测微带天线的谐振频率的偏移，来达到监测处于金属不同相对方向和相对位置的金属铝板裂纹变化情况。
2.分离式：
将微带线与矩形微带天线分离，减少馈电网络对矩形贴片天线的干扰，而且可使矩形微带天线和馈电网络独立工作，同时当检测物体受到铝板裂纹产生的铝板裂纹，不会造成天线的形变。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，并不是把本发明的实施范围局限于此。
如图1-6所示，本实施例公开了一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，包括第一介质基板1、第二介质基板2、微带天线3和馈电线4，所述馈电线4的短边固定连接所述微带天线3的长边；所述微带天线3和馈电线4均呈矩形，且均位于所述第一介质基板1和第二介质基板2之间。
进一步的，所述第一介质基板1具有第一平面，所述第一平面与所述微带天线3的顶面紧密贴合，所述第一平面与所述馈电线4的顶面紧密贴合；对应的，所述第二介质基板2具有第二平面，所述第二平面与所述微带天线3的底面紧密贴合，所述第二平面与所述馈电线4的底面紧密贴合。
本实施例中，所述微带天线3尺寸为长38.3mm、宽25.7mm，所述微带双层矩形天线使用两块介质基板，所述微带天线3上方的第一介质基板1使用的是介电常数为4.4的FR4介质基板，所述微带线下方的第二介质基板2使用的是介电常数为2.2的Rogers5880介质基板，所述FR4介质基板的介电常数大，能够检测较大的区域的裂纹变化情况，所述第一介质基板1和第二介质基板2的形状相同，尺寸均为100mm*100mm*1.6mm，将分离式抗干扰双频矩形微带天线3放置于需要检测的5052铝板上，并固定在5052铝板上。所述5052铝板是一种AL-Mg系合金铝板，镁是主要的合金元素，是金属结构体应用最广、较为关键的一种材料。
众所周知，馈电方式和馈电点都会影响着微带天线3的回波损耗，天线性能主要由回波损耗反映。本实施例所述微带双层矩形天线，选择微带馈电方式，为了使双频矩形微带天线3在两种馈电模式TM10和TM01工作，必须匹配谐振频率f01和f10所对应的输入阻抗，微带天线3必须在最佳的位置进行馈电，位置好的馈电点可以很好地提高天线工作的性能，使得实验结果更佳。馈电点位置可以根据下式(1)和(2)确定：
Figure BDA0003619889170000051
Figure BDA0003619889170000052
本实施例中，所述微带天线3分别在TM01馈电模式和TM10馈电模式激励出谐振频率f01和谐振频率f10，谐振频率具有较大的回波损耗，很容易识别。TM01馈电模式下的谐振频率f01与微带天线物理宽度W相关；TM10馈电模式下的谐振频率f10与微带天线物理长度L相关。金属裂纹相对微带天线3的角度会影响着天线谐振频率f01和f10的变化。不同倾斜角度下的裂纹变化都会以不同的方式影响着微带天线3的谐振频率f01和f10，因此通过监测谐振频率f01和f10偏移情况可以很好的检测到金属裂纹方向变化。
谐振频率f01和f10的偏移分别对应着铝板出现纵向裂纹和横向裂纹。结合图3所示，当铝板没有裂纹时，微带天线3的S21参数中谐振频率f01＝1.82GHz、f10＝2.34GHz；结合图4所示，铝板出现裂纹时，S21参数发生变化，谐振频率f01、f10都可以监测铝板上裂纹的变化情况。
本实施例所述微带双层矩形天线，天线将微带平面和矩形天线平面分离。进行分层可以减少馈电线4对微带天线3的电磁干扰，并且当微带天线3放置于待测金属结构时，此时金属结构有外部应力作用，该作用力会使得微带天线3产生形变，因为本实施例中设计的是分层式微带天线，外部作用力无法使得微带天线3部分产生形变，减少待检测金属结构进行裂纹检测过程中的误差影响，使得微带天线3进行裂纹检测时更加准确无误。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，包括第一介质基板、第二介质基板、微带天线和馈电线，其中：
所述馈电线的短边固定连接所述微带天线的长边；
所述微带天线和馈电线均呈矩形，且均位于所述第一介质基板和第二介质基板之间。
2.根据权利要求1所述的一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，所述第一介质基板具有第一平面，所述第一平面与所述微带天线的顶面紧密贴合，所述第一平面与所述馈电线的顶面紧密贴合；
所述第二介质基板具有第二平面，所述第二平面与所述微带天线的底面紧密贴合，所述第二平面与所述馈电线的底面紧密贴合。
3.根据权利要求1所述的一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，所述第一介质基板和第二介质基板的形状相同，均为100mm*100mm*1.6mm的长方体。
4.根据权利要求1所述的一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，所述第一介质基板的材料为FR4。
5.根据权利要求1所述的一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，所述第一介质基板的介电常数为4.4。
6.根据权利要求1所述的一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，所述第二介质基板的材料为Rogers 5880。
7.根据权利要求1所述的一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，所述第二介质基板的介电常数为2.2。
8.根据权利要求1所述的一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，所述微带天线包括两个谐振频率f01和f10，且f01＝1.82GHz、f10＝2.34GHz。
9.根据权利要求1所述的一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，所述微带天线的长边为38.3mm、短边为25.7mm。
10.根据权利要求1所述的一种用于结构健康监测的微带双层矩形天线结构，其特征在于，所述馈电线的长边为30mm，短边为2mm。
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