一种用于钻孔雷达的蝶形定向天线

摘要

本发明涉及钻孔雷达的设计领域，特别涉及一种用于钻孔雷达的蝶形定向天线。包括末端为弧形的金属蝶形天线片、介质材料外壳、弧形反射板、末端加载的电阻电容、同轴馈电线、空气过孔等。介质材料外壳为圆柱形，蝶形天线片埋藏在其物理中心，末端加载串联的电阻、电容与弧形反射板相连；弧形反射板设置在介质材料外壳侧表面，与其共形；空气过孔贯通介质材料外壳2个端面，作为过线通道；同轴馈电线通过空气过孔连接到金属蝶形天线片的馈电端口。本发明天线的整体尺寸小，与钻孔形状相适应，工作频带宽，能够和信号源相匹配，具有良好的波形保真度和定向性。

说明书

技术领域

本发明涉及钻孔雷达的设计领域，特别涉及一种用于钻孔雷达的蝶形定向天线。

背景技术

探地雷达是用频率介于100MHz～4000MHz的高频带电磁波来确定地下介质分布的一种高效地球物理方法。钻孔雷达是探地雷达的变异形式，可以弥补常规地面探地雷达技术及地质勘探技术的不足，更大范围地提供地下目标的三维信息。其主要应用领域在环境评价、工程地质、岩土工程、考古、水文地质和高放射性废料储存场所选址等方面的研究上。由于电磁波传播的全方向性，反射式的单孔雷达可以给出目标体的深度、距离、形态等信息，但不能给出目标体的方位角，即无法获知目标体在以探测距离为半径的圆周的哪个方位，因此钻孔雷达的发展重心已经朝着定向雷达转移。

天线是雷达系统最重要的部件之一，作为探地雷达的一个特殊分支，钻孔雷达天线的设计不仅要受直径为10cm左右的钻孔的限制，还要满足特定的要求，如良好的辐射波形、时域方向图、定向性及阻抗匹配等，尤其在钻孔直径远远小于雷达工作波长的情况下，产生一个定向波束是很难实现的，因此钻孔雷达定向天线的设计是整个雷达系统设计的难点所在。

蝶形天线是平面宽带天线的一种，具有结构简单、宽频带、辐射性能好等特点，是探地雷达系统中常见的天线。但由于钻孔雷达的工作频率为100MHz～700MHz，使得常规蝶形天线的尺寸无法满足10cm钻孔直径的要求，因此研制一种小型化、宽频带、高定向性、适合于钻孔中工作的蝶形天线是钻孔雷达系统开发中亟需解决问题。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决钻孔雷达小型化、宽频带、高定向性的问题，本发明提供了一种用于钻孔雷达的蝶形定向天线。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于钻孔雷达的蝶形定向天线，包括末端为弧形的金属蝶形天线片、介质材料外壳、弧形金属反射板、末端加载的电阻电容、同轴馈电线和空气过孔。

所述介质材料外壳的相对介电常数2-6(如玻璃钢)，形状为圆柱形；其半径≤40mm，柱高≤250mm。

所述金属蝶形天线片由两个单片组成，以其长度方向与柱高方向一致的方式设置在介质材料外壳物理中心，金属蝶形天线片的单片长≤90mm，天线张角≤30°，厚度≤2.5mm，与馈电线相连的端口宽度≤4mm，末端两侧弧形倒角的曲率半径≤20mm；且其末端通过材料外壳中设置的两个直径≤6mm的孔洞，加载串联的电阻、电容与弧形金属反射板相连实现电连接。

所述弧形金属反射板设置在介质材料外壳侧表面，并与其共形，长度≤210mm，厚度≤2mm，弧度≤180°。

所述空气过孔有两个，直径≤10mm，贯通介质材料外壳2个端面，过孔中心离介质外壳中心轴线的距离≤34mm，作为雷达系统电源线、信号线等的过线通道，两个空气过孔在介质材料外壳端面上所成夹角a为90°≤a≤270°；同轴馈电线通过空气过孔连接到金属蝶形天线片的馈电端口。

进一步的，所述介质材料外壳两端面均设有一个高度≤25mm的环形连接头，用与雷达系统的其他部位连接。

进一步的，所述介质材料外壳可沿中心线一分为二，方便天线片安装。

本发明提供的天线工作频率为250MHz～450MHz，中心频点为350MHz，时域波形保真度高，前后向辐射波形幅度比大于3:1，且横向尺寸不大于7cm

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1)本发明天线的整体尺寸小，结构紧凑，横向尺寸不超过7cm，能够工作在直径为10cm的钻孔中。且天线外形呈圆柱状，与钻孔形状相适应，有利于雷达系统在钻孔中的上下移动。

2)本发明天线的工作频带宽，在250MHz～450MHz的频带范围内回波损耗小于-10dB，回波损耗曲线平滑，波动小，有利于辐射瞬态脉冲，相对带宽为57％，已经属于超宽带天线，能够同时满足探测距离和分辨率的需求。

3)本发明天线能够和信号源相匹配。对于常见的瞬态脉冲钻孔雷达，若采用脉冲宽度为900ps的一阶高斯脉冲作为信号源，其能量大部分集中在200MHz～500MHz左右的频带范围内，因此本发明天线能够将大部分的能量发射出去。

4)本发明天线具有良好的波形保真度。采用末端加载电阻电容的方式，使得天线表面的电流呈行波分布，有效地减小了天线末端震荡产生的波形拖尾，提高了天线的波形保真度。

5)本发明天线具有良好的定向性。由于同时采用了介质加载和设置反射板的方法，使得天线具有很高的定向性。天线与反射板间理想的距离为四分之一个工作波长，通过加载介质，降低工作波长，使得天线与反射板的距离接近理想的四分之一工作波长；同时，增加反射板面积，更加高效地反射辐射信号。通过这两种方式，天线达到了非常好的定向性，其前后向远场时域波形幅度比大于3:1。

附图说明

图1是实施例中过空气过孔的侧视剖面图；

图2是实施例中不过空气过孔通过反射板的侧视剖面图；

图3是实施例的顶端视图；

图4是实施例中仿真运行的回波损耗(S11)曲线坐标图；

图5是实施例的实测前后向远场时域波形图；

附图标记：1-铜质天线片，2-玻璃钢介质外壳，3-环形连接头，4-空气过孔，5-同轴馈电线，6-弧形金属反射板，7-加载电阻，8-加载电容。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，一种用于钻孔雷达的蝶形定向天线，包括两片末端为弧形的铜质蝶形天线片1，玻璃钢介质外壳2，以及位于玻璃钢介质外壳两端的环形连接头3。两片铜质蝶形天线片对称地放置在玻璃钢介质外壳的物理中心，其馈电端相距10mm。在玻璃钢介质外壳2的外围开有直径为8mm的2个空气过孔4，其中一个过孔与天线馈电端口相连接，同轴馈电线6放置其中，用来给天线馈电，另一个过孔作为雷达系统的过线通道。2个空气过孔4的连线经过两片铜质蝶形天线片1，即a＝180°。

如图2、图3所示，铜质弧形金属反射板6设置在玻璃钢外壳的表面，与玻璃钢外壳共形，距离铜质蝶形天线31.5mm，反射板厚度1.5mm，幅度为120°。天线末端与反射板之间的玻璃钢介质外壳上开有2个直径为6mm的小孔，加载在天线末端的电阻7与电容8通过设置于介质外壳2中的2个孔与反射板形成电连接，加载电阻的阻值为120欧姆，加载的电容值为20pf。末端加载的电阻、电容使得天线表面的电流呈行波分布，能够有效减小天线末端震荡产生的波形拖尾，提高天线的波形保真度。改变加载的电阻、电容值可以调节天线的辐射阻抗，使天线在更宽的频带范围内获得接近50欧姆的馈端阻抗，减小回波损耗，增大带宽，提高天线效率。

如图4所示，本实例设计天线的仿真回拨损耗(S11)曲线图，天线的中心频率为350MHz，在250MHz～450MHz频带范围内回波损耗小于-10dB，显示出天线具有良好的宽带特性。整个曲线平滑，波动小，有利于辐射瞬态脉冲。对于常见的瞬态脉冲钻孔雷达，若采用脉冲宽度为900ps的一阶高斯脉冲作为信号源，其能量大部分集中在200MHz～500MHz左右的频带范围内，因此本发明天线能够将大部分的能量发射出去。

如图5所示，本实例天线的实测前后向远场辐射波形图显示出天线具有良好的定向性，发射源采用一阶高斯脉冲信号，由于收发天线对信号有微分作用，因此接收到的信号为三阶高斯脉冲信号。接收到的信号有着良好的辐射保真度，且前后向辐射波形的幅度比大于3:1，说明天线具有良好的定向性。