CN203983497U - 米波绳状雷达天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种米波绳状雷达天线。该米波绳状雷达天线包括：两个绳状的天线臂，在每一天线臂的内侧端点处均设置有馈电点转接头；其中，每一天线臂的长度为该米波绳状雷达天线中心频率对应自由空间波长的1/4，包括：分离的N段天线臂单元；相邻两天线臂单元的首尾均固定在同一绝缘介质板上，并通过加载电阻的方式电性连接。本实用新型米波绳状雷达天线的基本单元由电阻加载的偶极子组成，具有超宽带特点，满足系统对探测距离和精度的要求。

Description

米波绳状雷达天线

技术领域

本实用新型涉及电子行业雷达技术领域，尤其涉及一种米波绳状探地雷达天线。

背景技术

GPR采用非接触式测量，可作快速连续检测，能比较直观地表现检测目标物，能广泛用于地下管线探测、结构物无损检测、岩土勘查、地下洞穴、矿产探测、考古等工程勘察领域。超宽带技术是一种具有良好分辨率和穿透深度的雷达探测方法，在近几十年发展迅速。我国对超宽带的研究在近三十年取得长足进步，但是研究内容多局限于理论和算法，未能在工程勘探中较大规模应用。国内一些科研院所先后从美国、欧洲等引入GPR产品，推动了我国超宽带技术的发展。

天线作为GPR的一个关键子系统，主要完成辐射和接收功能。即把发射机信号转换成电磁波，也作为接收设备接收来自目标物的反射波，并将这种电磁波转换成电信号传给接收机的处理系统。由于电磁波在地下介质中传播时产生严重的衰减和频散现象，这种现象会降低探地雷达的勘探深度和增加目标的模糊失真。当电磁波频率越高时，衰减和频散现象也越严重。所以选择适当的中心频率，可以得到较好的探测深度。引入超宽带技术，可以提高探测分辨率。同时考虑到以探测矿道、地下塌陷等主要应用的作业环境，GPR的天线需要具有较高的可靠性和较强的环境适应能力以保证工程应用时的稳定性。

然而，在实现本实用新型的过程中，申请人发现现有的探地雷达天线探测距离较短、探测精度较小，不能较好地满足实际勘探工作的需要。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种探测距离长、探测精度高的米波绳状雷达天线。

(二)技术方案

本实用新型米波绳状雷达天线包括：两个绳状的天线臂，在每一天线臂的内侧端点处均设置有馈电点转接头；其中，每一天线臂的长度为该米波绳状雷达天线中心频率对应自由空间波长的1/4，包括：分离的N段天线臂单元；相邻两天线臂单元的首尾均固定在同一绝缘介质板上，并通过加载电阻的方式电性连接。

优选地，本实用新型米波绳状雷达天线中，天线臂单元为圆柱形金属导线或长方体形覆铜板。其中，圆柱形金属导线中的金属为铜、铝或铁。

优选地，本实用新型米波绳状雷达天线中，绝缘介质板为环氧树脂介质板，相邻天线臂单元的首尾采用焊接的方式固定于相应环氧树脂介质板上，且该环氧树脂介质板上设置有焊接加载电阻的锡制焊盘。其中，环氧树脂介质板宽度大于加载电阻的直径，其长度为加载电阻长度的1.5倍。

优选地，本实用新型米波绳状雷达天线中，N段天线臂单元的长度相同，加载电阻的电阻值满足：

R_i＝Z(z_i)×l

$Z\left(z_i\right)=\frac{60{\∫}_0^L(L-z^{\′})e^{-j{k}_0{z}^{\′}}(e^{-j{k}_0{G}_1}/G_1+e^{-j{k}_0{G}_2}/G_2)d{z}^{\′}}{{(L-|z_i\left|\right)}^2{e}^{-j{k}_0\left|z_i\right|}}(\mathrm{\Ω}/m)$

$G_1={[{(z_i+{z_i}^{\′})}^2+a^2]}^{\frac{1}{2}}$

$G_2={[{(z_i+{z_i}^{\′})}^2+a^2]}^{\frac{1}{2}}$

其中，R_i为第i个加载电阻的电阻值；l为天线臂单元的长度；z_i为以馈电点处作为原点情况下加载电阻的位置；L为天线臂的总长度；k₀为自由空间波数；α为天线臂单元的半径；i＝1，...，N。

优选地，本实用新型米波绳状雷达天线中，全部加载电阻均为功率容量为3W的碳膜电阻。

优选地，本实用新型米波绳状雷达天线中，天线臂外表面包裹有绝缘保护结构。其中，绝缘保护结构包括：最内层的硅胶管；中间层的双层尼龙空心织布；以及最外层的聚丙烯螺旋状保护套。

优选地，本实用新型米波绳状雷达天线中，天线臂的末端设置拖曳天线臂的末梢拉环。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型米波绳状雷达天线具有以下有益效果：

(1)基本单元由电阻加载的偶极子组成，具有超宽带特点，满足系统对探测距离和精度的要求；

(2)偶极子采用九段均匀阻值加载的方式，便得端口阻抗匹配性能良好；

(3)天线臂表面采用三层保护结构，耐磨、防潮、耐摔等，具有良好的野外作业能力；

(4)电阻加载连接处采用覆铜环氧树脂介质板，可绕成盘状，重量轻，便于运输和装载；

(5)考虑到工程作业时天线臂末端的悬空效应，天线臂的保护结构比天线臂长约1.5米。

由以上有益效果可知，本实用新型米波绳状雷达天线馈电方式简单，便于操作和维护，可靠性好，有很强的工程应用价值。

附图说明

图1A为本实用新型实施例米波绳状雷达天线整体结构示意图；

图1B为本实用新型实施例米波绳状雷达天线的天线臂剖面结构及末端拉环结构示意图；

图2为本实用新型实施例米波绳状雷达天线的VSWR实测曲线图；

图3为本实用新型实施例米波绳状雷达天线对地下目标探测时的时域辐射波形；

【主要元件符号说明】

10-天线臂；

    11、12-天线臂单元；     11a-加载电阻；

    11b-绝缘介质板；        10a-馈电点转接头；

    19a-末梢拉环。

20--硅胶管；

30-双层尼龙空心织布；

40-聚丙烯螺旋状保护套。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型米波绳状雷达天线的基本单元由电阻加载的偶极子组组成，具有超宽带特点，满足系统对探测距离和精度的要求。

在本实用新型的一个示例性实施例中，提出了一种米波绳状雷达天线。图1A为本实用新型实施例米波绳状雷达天线整体结构示意图。如图1A所示，本实用新型实施例米波绳状雷达天线包括：两个绳状的天线臂10，每一天线臂的长度为天线中心频率对应自由空间波长的1/4，包括：分离的N段天线臂单元(11、12等)，相邻两天线臂单元的首尾均固定在同一绝缘介质板11b上，并通过加载电阻11a电性连通，在天线中心点处，即天线臂内侧端点处设置馈电点转接头10a。

以下对本实施例米波绳状雷达天线的各个组成部分进行详细说明。

本实施例米波绳状雷达天线的电结构为对称偶极子结构，包括对称的两个天线臂10。天线臂10的长度为天线中心频率对应自由空间波长的1/4。本实施例中，天线臂10的长度为6m，在本实用新型的其他实施例中，天线臂10的长度介于5m～20m之间。

本实施例中，每一天线臂包括10段相同长度和材料的天线臂单元。该天线臂单元的材料为单股6mm²铜线。考虑到承载功率和硬度，优选表面为绝缘材料、硬度适中的6mm²铜线。但本实用新型并不以此为限，该天线臂单元的材料还可以是其他金属材料，例如铝、铁等，该天线臂单元的长度也可以不同。

请参照图1，该绝缘介质板为覆铜环氧树脂介质板(PCB板)，相邻天线臂单元的铜线的首尾均采用焊接的方式固定在同一块PCB板上。

该PCB板的宽度大于加载电阻的直径(当然也大于天线臂单元铜线的直径)，其长度约为加载电阻长度的1.5倍。采用PCB板的原因在于：PCB板具有一定的强度，并且在PCB板上设置锡制焊盘来固定和焊接加载电阻比较容易。

请参照图1，相邻两天线臂单元通过加载电阻从而电性连接。对于10段天线臂单元而言，共有9个加载电阻，加载电阻的阻值采用Wu-king加载公式计算得出，具体见如下公式：

R_i＝Z(z_i)×l                     (1)

$Z\left(z_i\right)=\frac{60{\∫}_0^L(L-z^{\′})e^{-j{k}_0{z}^{\′}}(e^{-j{k}_0{G}_1}/G_1+e^{-j{k}_0{G}_2}/G_2)d{z}^{\′}}{{(L-|z_i\left|\right)}^2{e}^{-j{k}_0\left|z_i\right|}}(\mathrm{\Ω}/m)---\left(2\right)$

$G_1={[{(z_i+{z_i}^{\′})}^2+a^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

$G_2={[{(z_i+{z_i}^{\′})}^2+a^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

其中，R_i为第i个加载电阻的电阻值；l为相邻加载电阻之间的距离，即天线臂单元的长度；z_i为加载电阻的位置(原点为馈电点处)；L为天线臂10的总长度；k₀为自由空间波数，本实施例中为120π；α为天线臂单元铜线的半径。i＝1，...，9。本实用新型中所用的加载电阻均为功率容量为3瓦的碳膜电阻。

请参照图1，馈电点转接头10a设置于最内侧天线臂单元的起始端。该馈电点转接头10a采用与雷达接口匹配的转接头，一般采用导电性能良好和硬度高的铜柱。天线臂10通过该馈电点转接头10a连接至GPR发射机或接收机。

图1B为本实用新型实施例米波绳状雷达天线的天线臂剖面结构及末端拉环结构示意图。如图1B所示，在每一天线臂的外表面均包裹有绝缘保护结构。本实施例中，该绝缘保护结构分为三层，包括：最内层的硅胶管20、中间层的双层尼龙空心织布30以及最外层的聚丙烯螺旋状保护套40。其中，硅胶管有一定柔软性和伸缩性，并具有防水、减震等作用。考虑天线工作作业时需要放置在地面上，而拖曳时会有悬空情况，所以三层保护结构的长度比天线臂约长1.5米。

实际装配中，硅胶管20与聚丙烯螺旋状保护套40表面都会用热缩管进一步固定，充分保证保护结构的可靠性。此外，考虑到GPR作业时天线一端存在悬置情况，绝缘保护结构长度比天线臂的长度要长约1.5米。

需要说明的是，硅胶管20、双层尼龙空心织布30以及聚丙烯螺旋状保护套40也可以采用类似材料加工，例如聚丙烯螺旋状保护套40的疏密程度可适应于场景变动。

由于每一天线臂的长度均较长，为了便于运输和保存，在未使用时是盘绕起来的，而在实际使用是，需要将天线臂展开为直线状。为了便于展开，在天线臂的末端设置末梢拉环19a，该末梢拉环固定在最末端的天线臂单元上，用于在工程作业时拖曳该天线臂。一般情况下，该末梢拉环19a采用树脂材料等高硬度材料制备。

末梢拉环19a的直径比天线臂外表面绝缘保护结构的硅胶管的直径略大。由于硅胶管具有一定伸缩性，可与元件7紧密咬合。

图2为本实用新型实施例米波绳状雷达天线的VSWR实测曲线图。由图2可知，当VSWR≤2时，天线的相对带宽为64％；当VSWR≤3时，天线的相对带宽大于100％；

图3为本实用新型实施例米波绳状雷达天线对地下目标探测时的时域辐射波形。从波形中可以看到，天线时域波形保真性比较好，拖尾小，振荡小。可以满足GPR实际工程需要。

至此，本实施例米波绳状雷达天线介绍完毕。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)除了圆柱形金属导线之外，天线臂单元的形式还可以是长方体形覆铜板等形式；

(2)天线臂表面保护结构可以是其他非金属材料；

(3)天线臂阻值加载可以是9段加载，也可以是其它段数加载，一般情况下，天线臂中天线臂单元的个数N介于5～15之间；

(4)天线的中心工作频率还可以在5MHz～100MHz内变化，而天线的结构形式仍然保持不变。

综上所述，本发实用新型米波绳状雷达天线阻抗匹配良好，电性结构装载方便，可靠性好，耐磨、耐潮，有较强环境适应能力，能满足GPR系统对探测距离和分辨率的要求，也适用于实际工程勘探需要。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种米波绳状雷达天线，其特征在于，包括：两个绳状的天线臂，在每一天线臂的内侧端点处均设置有馈电点转接头；

其中，每一天线臂的长度为该米波绳状雷达天线中心频率对应自由空间波长的1/4，包括：分离的N段天线臂单元；相邻两天线臂单元的首尾均固定在同一绝缘介质板上，并通过加载电阻的方式电性连接。

2.根据权利要求1所述的米波绳状雷达天线，其特征在于，所述天线臂单元为圆柱形金属导线或长方体形覆铜板。

3.根据权利要求2所述的米波绳状雷达天线，其特征在于，所述圆柱形金属导线中的金属为铜、铝或铁。

4.根据权利要求1所述的米波绳状雷达天线，其特征在于，所述绝缘介质板为环氧树脂介质板，相邻天线臂单元的首尾采用焊接的方式固定于相应环氧树脂介质板上，且该环氧树脂介质板上设置有焊接加载电阻的锡制焊盘。

5.根据权利要求4所述的米波绳状雷达天线，其特征在于，所述环氧树脂介质板宽度大于加载电阻的直径，其长度为加载电阻长度的1.5倍。

6.根据权利要求1所述的米波绳状雷达天线，其特征在于，所述N段天线臂单元的长度相同，所述加载电阻的电阻值满足：

R_i＝Z(z_i)×l

$Z\left(z_i\right)=\frac{60{\∫}_0^L(L-z^{\′})e^{-j{k}_0{z}^{\′}}(e^{-j{k}_0{G}_1}/G_1+e^{-j{k}_0{G}_2}/G_2)d{z}^{\′}}{{(L-|z_i\left|\right)}^2{e}^{-j{k}_0\left|z_i\right|}}(\mathrm{\Ω}/m)$

$G_1={[{(z_i+{z_i}^{\′})}^2+a^2]}^{\frac{1}{2}}$

$G_2={[{(z_i+{z_i}^{\′})}^2+a^2]}^{\frac{1}{2}}$

其中，R_i为第i个加载电阻的电阻值；l为天线臂单元的长度；z_i为以馈电点处作为原点情况下加载电阻的位置；L为天线臂的总长度；k₀为自由空间波数；α为天线臂单元的半径；i＝1，...，N。

7.根据权利要求6所述的米波绳状雷达天线，其特征在于，全部加载电阻均为功率容量为3W的碳膜电阻。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的米波绳状雷达天线，其特征在于，所述天线臂外表面包裹有绝缘保护结构。

9.根据权利要求8所述的米波绳状雷达天线，其特征在于，所述绝缘保护结构包括：

最内层的硅胶管；

中间层的双层尼龙空心织布；以及

最外层的聚丙烯螺旋状保护套。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的米波绳状雷达天线，其特征在于，所述天线臂的末端设置拖曳天线臂的末梢拉环。