CN204269802U - 一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线。该平面弱耦合天线包括从外向内依次设置的发射天线和接收天线。发射天线和接收天线位于同一平面内，且发射天线与接收天线之间的互感为接收天线本身自感的0~10%。接收天线包括第一接收天线和与第一接收天线相连的第二接收天线，第一接收天线和第二接收天线均由导线绕制而成，且第一接收天线的导线绕制方向与第二接收天线的导线绕制方向相反。本实用新型通过对接收天线与发射天线进行设计，使具有本实用新型的核四极矩共振检测系统无需要电磁屏蔽，就能稳定工作，并能够有效的抑制空间杂散电磁波，改善NQR信号的信噪比。

Description

一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线

技术领域

本实用新型涉及NQR天线技术领域，具体涉及一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线。

背景技术

目前，金属探测技术、X光射线吸收或散射、中子探测技术、太赫兹探测技术等无损安检技术被普遍使用，但是它们均具有不同程度的局限性比如比如，X光射线法不能识别物质；中子活化探测技术能够识别元素，但不能识别物质，且辐射防护复杂；太赫兹测量技术可靠性低，尚不能达到实用程度。

近期，采用核四极矩共振技术(NQR)进行无损探测炸药和毒品的方法逐渐被人们重视。核四极矩共振技术的原理如下：自旋大于1/2的N14等原子核，核电荷分布偏离球对称，于是存在电四极矩；在非零梯度电场中，核电四极矩导致原子核能级劈裂。利用电磁作用，可以实现原子核的电四极矩共振。在绝大部分情况下，电四极矩共振频率在射频范围。因此，可以用射频技术激发核的电四极矩共振。电四极原子核在不同的分子中所感受到的电场梯度也不同，其能级劈裂程度也就不同。发生共振跃迁时，共振频率也不同。这一特性使得NQR技术能够识别物质。NQR谐振频率极度依赖于分子内原子电场的空间结构。由于晶体堆积的几何方式不一样，即使化学成分相同的原子核也可以有不同的共振峰值，所以NQR物质能够分析同分异构体。

总之，采用NQR技术进行安检，能够准确的进行物质识别。但是，NQR技术存在信噪比差和局域性强等不足，所以提高检测距离是一个非常困难的问题。检测距离跟接收天线的尺寸与形状都是有很大关系的。检测距离越远，信号越弱，为了提高灵敏度，接收天线的面积就需要增加，同时还要保证单位面积的线圈圈数。随着线圈尺寸的增加，Q值也会增加，但是Q值过高会导致两个不利的结果。第一是发射天线和接收天线之间的耦合会随着线圈的Q值增加而增加，对系统的稳定性提出了苛刻的要求；第二是过高Q值会使得天线受外界环境的影响比较大。当Q值高到一定程度的时候，线圈的匹配状态就会对外界环境敏感，靠近人体或者金属的时候，线圈的谐振点以及Q值会发生比较大的变化。通过电磁屏蔽的方法可以提高抗干扰能力，但增加了设备成本，而且不能制成便携仪器对人体、行李包进行检测。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种平面弱耦合天线，该天线能够提高安检时的检测距离和抗干扰能力。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线，该平面弱耦合天线包括从外向内依次设置的发射天线和接收天线。由于NQR信号局域性非常强，基本上检测灵敏区域只是接收天线上方几个cm的地方，为了设计尽可能大的检测灵敏区域，所以本实用新型设计尽量大的接收线圈，而为了保证发射磁场在接收天线附近的强度，所以对比较小的尺寸，结构比较简单的线圈系统，一般会让接收天线位于发射天线的内部；而对于复杂的，尺寸比较大的线圈，有可能会让接收天线全部位于发射天线外部。

所述的发射天线和接收天线位于同一平面内，且发射天线与接收天线之间的互感为接收天线本身自感的0～10％。由于本实用新型所使用波段波长比较长，如果发射天线和接收天线不在同一平面内的话，发射天线和接收天线会对相互之间的信号进行屏蔽，影响信号的灵敏度。

所述的接收天线包括第一接收天线和与第一接收天线相连的第二接收天线，所述的第一接收天线和第二接收天线均由导线绕制而成，且第一接收天线的导线绕制方向与第二接收天线的导线绕制方向相反。

进一步的，该平面弱耦合天线的工作频率范围为0.1～30MHz。

进一步的，所述的发射天线为金属环或由至少一根导线绕制而成的线圈。

进一步的，所述的接收天线由至少一根导线绕制而成。

进一步的，所述的第一接收天线包括至少一个第一接收天线单元；

所述的第二接收天线包括至少一个第二接收天线单元；

所述的第一接收天线与第二接收天线串联或者并联连接。

进一步的，所述的发射天线和接收天线均由良导体金属线绕制而成。

由以上技术方案可知，本实用新型通过对接收天线与发射天线进行设计，使二者之间的互感接近0，从而使具有本实用新型的核四极矩共振检测系统无需要电磁屏蔽，就能稳定工作，并能够有效的抑制空间杂散电磁波，改善NQR信号的信噪比。由于本实用新型的发射天线与接收天线之间互感接近0，因此，发射天线与接收天线的布局、形状、大小可以满足各种设计需求，改善NQR技术的检测距离以及设置合适的Q值。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是简单几何结构的NQR信号探测模型图；

图3是两线圈之间的互感原理示意图；

图4是实施例2中的平面弱耦合天线的结构示意图；

图5是实施例3中的平面弱耦合天线的结构示意图；

图6是实施例4中的平面弱耦合天线的结构示意图。

其中：

1、第一接收天线，2、第二接收天线，3、接收天线，4、发射天线，5、匹配电路，6、补偿线圈。

具体实施方式

设接收天线的自感为L0，下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1所示的一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线，该平面弱耦合天线包括从外向内依次设置的发射天线4和接收天线3。所述的发射天线4和接收天线3位于同一平面内，且发射天线4与接收天线3之间的互感为接收天线3本身自感的0～10％。所述的接收天线3包括第一接收天线1和与第一接收天线1相连的第二接收天线2，所述的第一接收天线1和第二接收天线2均由导线绕制而成，且第一接收天线1的导线绕制方向与第二接收天线2的导线绕制方向相反。该平面弱耦合天线的工作频率范围为0.1～30MHz。

发射天线4和接收天线3均由良导体体金属板切割而成的金属环或由至少一根良导体金属线绕制而成的线圈。优选的，发射天线为轴对称图形。所述的第一接收天线1包括至少一个第一接收天线单元，且各个第一接收天线单元依次串联连接或并联连接。所述的第二接收天线2包括至少一个第二接收天线单元，且各个第二接收天线单元之间依次串联连接或并联连接。所述的第一接收天线1与第二接收天线2串联或者并联连接。当第一接收天线1与发射天线4间的互感和第二接收天线2与发射天线4间的互感的和不等于接收天线自身自感的0～10％时，在发射天线4上设有一补偿线圈6，用于使发射天线4与接收天线3之间的互感为接收天线3本身自感的0～10％。

接收天线3接收到的信号包括三个部分：第一部分是空间中的干扰电磁波，第二部分是目标样品的NQR信号，第三部分来自于发射天线的激发和噪声信号。空间干扰电磁波在比较小的区域内可以近似看成是均匀的，所以在第一接收天线与第二接收天线中产生的信号抵消。第二部分是有用信号，具有非常强的局域性，在反向绕制的第一接收天线与第二接收天线不构成抵消和抑制。第三部分，由于接收天线与发射天线之间的耦合非常弱，所以接收天线对发射天线发射的激发信号和噪声信号有很好的抑制作用。

本实用新型的工作原理为：

NQR信号的局域性很强，其强度随距离迅速减弱。样品可以近似为磁偶极子，对于磁偶极子辐射，平面螺旋天线近处接收的NQR信号幅值为

$S_L=\mathrm{\ζ}{\mathrm{\μ}}_{0}2\mathrm{\πvM}\left(v\right)A\sqrt{\frac{Q{R}_0}{2\mathrm{\πvL}}}---\left(1\right)$

其中，ζ为填充率，即样品在线圈中占有面积的比率；A为线圈圈数与线圈面积之比；μ₀为指真空磁导率；M(ν)为样品激发后形成的宏观磁矩；ν是共振频率；Q和L分别是线圈的Q值和电感；R₀是匹配后阻抗。

从式(1)可以看到，NQR信号强度与线圈的密绕程度以及样品体积和线圈面积的相对大小相关。

考虑样品与线圈有一定距离的情况，如图2所示的简单几何结构的NQR信号探测模型图。假设样品为圆柱体，半径为r，高度为h，圆柱体中心距离线圈为D，D远大于样品尺寸；样品均匀磁化，磁化强度为H(t)；线圈半径为R，线圈平面一点A距离线圈中心为d，线圈面积为S。则样品感应磁矩在A点形成的磁感应强度为

$B(D,d,t)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\πr}}^{2}h}{{(D^2+d^2)}^{3/2}}H(v,t)---\left(2\right)$

则线圈中感应的信号幅值为

$S(D,t)=d\left(\underset{s}{\∫}\stackrel{\→}{B}(D,d)\mathrm{ds}\right)/\mathrm{dt}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\πr}}^{2}h}{D^2\sqrt{1+\frac{D^2}{R^2}}}\frac{d}{\mathrm{dt}}H(v,t)---\left(3\right)$

从式(2)和(3)可以看出，信号强度与成反比，当D远小于R时，与D平方反比，当D远大于R时，与D三次方反比；信号强度与R有关，当D远大于R时，与R反比。所以要增加检测距离，就需要增加线圈尺寸，同时还要保持单位面积的线圈圈数。但是，随着线圈尺寸的增加，Q值也会增加。

NQR检测系统可具有一个或多个天线来进行发射和接收，发射天线发射射频电磁波来激发样品中的四极核，接收天线用来接收NQR共振信号。发射天线和接收天线均采用良导体电金属(金银铜铝等)制作，具有高品质因数Q，Q值大约有10²左右。但是Q值过高会导致两个后果，第一个是发射和接收线圈之间的耦合会随着线圈的Q值增加而增加，于是对系统的稳定性提出苛刻的要求；第二个是过高Q值的天线受外界环境的影响比较大。当Q值高到一定程度的时候，线圈的匹配状态就会对外界环境密切相关，靠近人体或者金属的时候，线圈的谐振点以及Q值都会发生比较大的变化。所以线圈的Q值必须处在一个合适的值。

如图3所示，线圈L1中电流变化时所激发的变化的磁场会在它临近的另一个线圈中产生感应电动势。同样的，线圈L2中的电流变化也会在线圈L1中产生感应电动势。设线圈L1所激发的磁场在线圈L2中所形成的磁通大小为φ12，φ12与线圈L1中的电流I1成正比：φ₁₂＝M₁₂I₁，同理有φ₂₁＝M₂₁I₂。同样很容易证明M₁₂＝M₂₁＝M，所以定义M为线圈L1和线圈L2之间的互感系数，用来衡量两个线圈之间的耦合的大小。由定义看到M与线圈之间的距离以及线圈本身的构造相关。可以计算两个顺接线圈的总电感为L＝L₁+L₂+2M，两个反接线圈的总电感为L＝L₁+L₂-2M。正因为如此，本实用新型采用反向接收线圈来消除发射天线与接收天线之间的耦合，适当调节接收线圈各部分的位置来调节线圈的Q值，使其处于合适数值。

实施例1

在图1中，第一接收天线1包括一个第一接收天线单元，第二接收天线2包括一个第二接收天线单元。从图1中可以看出，发射天线4的两个引出端分别为J和K，该发射天线为轴对称图形。第一接收天线1和第二接收天线2的导向绕制方向相反，第一接收天线1的最外圈的导线的引出端和第二接收天线2的最内圈的导线的引出端在M点串联连接。第一接收天线1的最内圈的导线的引出端接至Q处，第二接收天线2的最外圈的导线引出端接至P处。4个引出端J、K、P和Q分别接入匹配电路5。当发射天线4与接收天线3中通入电流后，第一接收天线1与第二接收天线2中的电流方向相反，由右手定则可知，第一接收天线1与发射天线4间的互感M1，和第二接收天线2与发射天线4之间的互感M2，符号相反。通过对发射天线4与接收天线3的参数进行设计，使M1+M2＝(0～10％)*L0。这样，发射天线4与接收天线3之间的互感就约等于0，发射天线4与接收天线3之间为弱耦合。

实施例2

在图4中，第一接收天线1包括多个第一接收天线单元，第二接收天线2包括多个第二接收天线单元。各个第一接收天线单元之间串联连接，组成第一接收天线1，并且，各个第一接收天线单元的导线绕制方向相同。各个第二接收天线单元之间串联连接，组成第二接收天线2，并且，各个第二接收天线单元的导线绕制方向相同。第一接收天线1的导线绕制方向与第二接收天线2的导线绕制方向相反。第一接收天线1与第二接收天线2在M点串联连接。

优选的，图4中第一接收天线单元和第二接收天线单元的数量设置为4个。第一接收天线1包括1a、1b、1c和1d，第二接收天线2包括2a、2b、2c和2d。从1a的最内圈导线引出一端，开始从外向内绕制成1b；接着，从1b的最内圈导线引出一端，开始从外向内绕制成1c；接着，从1c的最内圈导线引出一端，开始从外向内绕制成1d；最后，从1d的最内圈导线引出一端P，接到匹配电路。从2a的最内圈导线引出一端，开始从外向内绕制成2b；接着，从2b的最内圈导线引出一端，开始从外向内绕制成2c；接着，从2c的最内圈导线引出一端，开始从外向内绕制成2d；最后，从2d的最内圈导线引出一端Q，接到匹配电路。1a的最外圈导线引出端，与2a的最外圈导线引出端相连。当发射天线4与接收天线3中通入电流后，第一接收天线1与第二接收天线2中的电流方向相反。设1a与发射天线4间的互感M11，1b与发射天线4之间的互感M12，1c与发射天线4间的互感M13，1d与发射天线4之间的互感M14，2a与发射天4线间的互感M21，2b与发射天线4之间的互感M22，2c与发射天线4间的互感M23，2d与发射天线4之间的互感M24。由于发射天线4与接收天线3中的电流方向相反，由右手定则可知，M11、M12、M13和M14的符号相同，均为正数或均为负数。M21、M22、M23和M24的符号相同，但与M11、M12、M13和M14的符号相反，均为负数或均为正数。由于第一接收天线各单元与第二接收天线各单元之间为对称设置的，因此，通过对发射天线4与接收天线3的参数进行设计，能够使M11+M12+M13+M14+M21+M22+M23+M24＝(0～10％)*L0。这样，发射天线4与接收天线3之间的互感就约等于0，发射天线4与接收天线3之间为弱耦合。

实施例3

在图5中，发射天线4中设有补偿线圈6。第一接收天线1包括多个第一接收天线单元，第二接收天线2包括多个第二接收天线单元。各个第一接收天线单元之间串联连接，组成第一接收天线1，并且，各个第一接收天线单元的导线绕制方向相同。各个第二接收天线单元之间串联连接，组成第二接收天线2，并且，各个第二接收天线单元的导线绕制方向相同。第一接收天线1的导线绕制方向与第二接收天线2的导线绕制方向相反。第一接收天线1与第二接收天线2在M点串联连接。

优选的，图5中第一接收天线单元和第二接收天线单元的数量设置为2个。第一接收天线1包括3a和3b，第二接收天线2包括4a、4b和4c。从3a的最内圈导线引出一端，开始从外向内绕制成3b；接着，从3b的最内圈导线引出一端P，接到匹配电路。从4a的最内圈导线引出一端，开始从外向内绕制成4b；接着，从4b的最内圈导线引出一端，开始从外向内绕制成4c；最后，从4c的最内圈导线引出一端Q，接到匹配电路。3a的最外圈导线引出端，与4a的最外圈导线引出端相连。当发射天线4与接收天线3中通入电流后，第一接收天线1与第二接收天线2中的电流方向相反。设3a与发射天线4间的互感M31，2b与发射天线4之间的互感M32，4a与发射天线4间的互感M41，4b与发射天线4之间的互感M42，4c与发射天线4之间的互感M43。由于发射天线4与接收天线3中的电流方向相反，由右手定则可知，M31和M32的符号相同，均为正数或均为负数。M41、M42和M43的符号相同，但与M31、M32的符号相反，均为负数或均为正数。

此时，由于第一接收天线1各单元与第二接收天线2各单元不是对称设置的，若发射天线4不在中间设置一补偿线圈，会使M31+M32+M41+M42+M43≠(0～10％)*L0。因此，通过在发射天线4中间设置一补偿线圈6，并对发射天线4与接收天线3的参数进行设计，使M31+M32+M41+M42+M43＝(0～10％)*L0。这样，发射天线5与接收天线3之间的互感就约等于0，发射天线4与接收天线3之间为弱耦合。

实施例4

第一接收天线1与第二接收天线2并联连接。图6中，分别令第一接收天线1包括一个第一接收天线单元，第二接收天线2包括一个第二接收天线单元，第一接收天线单元和第二接收天线单元并联连接。第一接收天线单元的导线最外圈的引出端，与第二接收天线单元的导线最外圈的引出端在M处相连，并作为引出端P；第一接收天线单元的导线最内圈的引出端，与第二接收天线单元的导线最内圈的引出端相连，并作为引出端Q。当发射天线4与接收天线3中通入电流后，第一接收天线1与第二接收天线2中的电流方向相反，由右手定则可知，第一接收天线1与发射天线4间的互感M1，和第二接收天线2与发射天线4之间的互感M2，符号相反。通过对发射天线4与接收天线3的参数进行设计，使M1+M2＝(0～10％)*L0。这样，发射天线4与接收天线3之间的互感就约等于0，发射天线4与接收天线3之间为弱耦合。

实施例5

第一接收天线1包括至少一个第一接收天线单元，且各个第一接收天线单元之间并联连接。第二接收天线2包括至少一个第二接收天线单元，且各个第二接收天线单元之间并联连接。各个第一接收天线单元中的电流方向，与各个第二接收天线单元中的电路方向相反。设各个第一接收天线单元与发射天线间的互感分别为Mn1、Mn2……Mnn，各个第二接收天线单元与发射天线间的互感分别为Mm1、Mm2……Mmm，则通过对各个第一接收天线单元与各个第二天线接收单元的参数进行设计，使Mn1+Mn2+……+Mnn+Mm1+Mm2+……+Mmm＝(0～10％)*L0。这样，发射天线4与接收天线3之间的互感就约等于0，发射天线4与接收天线3之间为弱耦合。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线，其特征在于：该平面弱耦合天线包括从外向内依次设置的发射天线（4）和接收天线（3）；

所述的发射天线（4）和接收天线（3）位于同一平面内，且发射天线（4）与接收天线（3）之间的互感为接收天线（3）本身自感的0~10%；

所述的接收天线（3）包括第一接收天线（1）和与第一接收天线（1）相连的第二接收天线（2），所述的第一接收天线（1）和第二接收天线（2）均由导线绕制而成，且第一接收天线（1）的导线绕制方向与第二接收天线（2）的导线绕制方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线，其特征在于：该平面弱耦合天线的工作频率范围为0.1~30MHz。

3.根据权利要求1所述的一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线，其特征在于：所述的发射天线（4）为金属环或由至少一根导线绕制而成的线圈。

4.根据权利要求1所述的一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线，其特征在于：所述的接收天线（3）由至少一根导线绕制而成。

5.根据权利要求1所述的一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线，其特征在于：所述的第一接收天线（1）包括至少一个第一接收天线单元；

所述的第二接收天线（2）包括至少一个第二接收天线单元；

所述的第一接收天线（1）与第二接收天线（2）串联或者并联连接。

6.根据权利要求1所述的一种应用于核四极矩共振检测系统的平面弱耦合天线，其特征在于：所述的发射天线（4）和接收天线（3）均由良导体金属线绕制而成。