專利名稱：一種井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種與探測雷達(dá)配套用偶極子天線，特別是一種與地質(zhì)探測雷達(dá)配套在地質(zhì)鉆探井中使用、并采用電阻加載的寬帶低頻全向柱形偶極子天線；該天線可經(jīng)地質(zhì)鉆探井深入地下工作，并與地質(zhì)探測雷達(dá)配套用于地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、資源勘探等。
背景技術(shù)：
探地雷達(dá)是一種高效的淺層地球物理探測技術(shù)，它通過發(fā)射高頻脈沖電磁波，利用地下介質(zhì)電性參數(shù)的差異，根據(jù)回波的振幅、相位等特征來分析和推斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)特征。地質(zhì)雷達(dá)一般采用的地球物理方法都是在地表或者待測體表面進(jìn)行的，然而由于地下或者待測體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，僅僅依靠從這些方法中所獲得的數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確推斷地質(zhì)或待測資源特性、方位等信息，應(yīng)用鉆孔雷達(dá)進(jìn)行更深層的井下探測就成為了一種必要手段。天線作為鉆孔雷達(dá)成像系統(tǒng)的核心部件，直接影響到雷達(dá)的探測范圍和精度。為了得到易于識(shí)別、保真性好的波形，需要天線具有較寬帶寬；同時(shí)天線工作頻率越低，在巖土中傳播距離就越遠(yuǎn)、雷達(dá)探測范圍就越大，但若帶寬較窄、則波形易產(chǎn)生畸變，因而在帶寬足夠的情況下低頻天線就成為一種理想選擇。在公開號(hào)為CN101908669A、名稱為《四分支多頻柱狀偶極子天線》專利文獻(xiàn)中公開了一種主要由第一、第二、第三、第四分支，露銅區(qū)， 饋源構(gòu)成的天線。露銅區(qū)為一空心銅棒(管)、而饋源為細(xì)實(shí)銅棒；第一、第二分支位于第三、第四分支下面；饋源通過第三、第四分支上的電路與三、四分支相連；露銅區(qū)通過一、二分支上的電路與一、二分支相連，露銅區(qū)還與第一分支頂端和第二分支下端相連。由于饋源同時(shí)連接三、四分支，故三、四分支為并聯(lián)結(jié)構(gòu)；露銅區(qū)又同時(shí)連接一、二分支，故一、二分支亦為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。該天線工作頻率在700M到2500M之間，工作頻率較高而帶寬僅50-60M，而采用電路與四個(gè)分支對(duì)應(yīng)連接的結(jié)構(gòu)，使饋源與各分支可以更好地匹配，有助于天線帶寬的擴(kuò)展；但第四分支采用螺旋狀結(jié)構(gòu)，在增加了天線長度的同時(shí)、也帶來了部分電感效應(yīng)，此外、雖然通過增加分支數(shù)在一定程度上起到了增加帶寬的作用，但同時(shí)在其帶寬內(nèi)Sll (天線饋電點(diǎn)電壓反射系數(shù))的波動(dòng)(范圍)也很大，即各頻率處輻射能量差別較大，這將會(huì)引起天線輻射的時(shí)域波形失真，不能與脈沖雷達(dá)配套使用；此外，該天線為有源天線、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，也難以與鉆孔雷達(dá)配套應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計(jì)一種井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線，以簡化天線結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本，能在低頻段及足夠的帶寬條件下與地質(zhì)鉆孔雷達(dá)配套工作、以提高在巖土介質(zhì)中的探測范圍；從而達(dá)到天線結(jié)構(gòu)簡單、有效提高地質(zhì)雷達(dá)的性能、探測范圍和效率等目的。本發(fā)明的解決方案是均采用金屬筒體作為本發(fā)明偶極子天線中兩個(gè)(根)管形單極子天線柱體中的各天線節(jié)；天線頭則采用帶中心孔的錐形頭、并分設(shè)于兩單極子天線柱體的內(nèi)端，兩錐形頭的前端面均與天線軸線(中心線)垂直、而后部為與天線節(jié)直徑相同的筒形體；各天線節(jié)之間和天線節(jié)與天線頭之間的兩端面上順軸向分別對(duì)應(yīng)設(shè)有一組座孔、 用于安裝加載電阻；裝配時(shí)分別將一個(gè)(根)單極子天線體中的各天線節(jié)和天線頭依次套于(內(nèi))支撐管上、并在各天線節(jié)之間及前端天線節(jié)與天線頭之間的座孔內(nèi)裝入壓力彈簧、 電阻和節(jié)間固定套將各天線節(jié)及天線頭串聯(lián)成一體并通過螺母套固定、組成一管狀單極子天線；最后將兩個(gè)(根)單極子天線的天線頭軸向相向地通過連接固定套間隔緊固成一體， 在固定前將同軸電纜經(jīng)一單極子天線柱體的支撐管及天線頭中心孔內(nèi)孔穿入、同軸電纜的中心線和外(層)導(dǎo)線分別與兩天線頭緊固連接。因此，本發(fā)明全向柱形偶極子天線包括分別含單極子天線柱體和天線頭在內(nèi)的兩個(gè)(根)單極子天線及連接固定套，(用于連接饋源的)同軸電纜，關(guān)鍵在于各單極子天線柱體均為采用各管狀天線節(jié)串聯(lián)而成的管形柱體，兩個(gè)天線頭均為前部帶中心孔的錐形頭、而后部為筒形體的錐形天線頭，各錐形天線頭分別設(shè)于兩個(gè)單極子天線管形柱體的內(nèi)端，在兩個(gè)單極子天線管形柱體及天線頭內(nèi)還設(shè)有一支撐管，在天線頭與天線節(jié)之間以及在各天線節(jié)之間的兩端面上順軸向分別設(shè)有一組用于安裝加載電阻的座孔，各組加載電阻及相應(yīng)的壓力彈簧分別嵌于對(duì)應(yīng)的座孔內(nèi)、并使相鄰的兩端面相互隔離；天線節(jié)與天線頭之間、各天線節(jié)之間、連同加載電阻及壓力彈簧均通過相應(yīng)的節(jié)間固定套依次串聯(lián)于支撐管上并通過螺母套固定，以組成一個(gè)(根)單極子天線；最后通過連接固定套將兩個(gè)單極子天線頭軸向相向固定成一體，而同軸電纜的中心線和外(層)導(dǎo)線分別與兩個(gè)單極子天線的錐形天線頭固定連接后、經(jīng)任一支撐管內(nèi)腔引出。上述在天線頭與天線節(jié)之間以及在各天線節(jié)之間的兩端面上順軸向分別設(shè)有一組用于安裝加載電阻的座孔，每組座孔數(shù)為3-6個(gè)、相鄰兩端面上各對(duì)應(yīng)的兩個(gè)座孔位于同一軸線上。所述含單極子天線管形柱體和天線頭在內(nèi)的兩個(gè)單極子天線，其中每個(gè)單極子天線包括1個(gè)天線頭及由5-9個(gè)管狀天線節(jié)組成的單極子天線。所述單極子天線，當(dāng)各單極子天線采用1個(gè)天線頭及7個(gè)天線節(jié)時(shí)、天線頭與天線節(jié)之間所加載的電阻阻值為4-6 歐姆，各天線節(jié)之間所加載的電阻阻值由內(nèi)至外依次為8-10歐姆、14-18歐姆、28-32歐姆、 44-52歐姆、65-75歐姆、90-110歐姆，以上天線頭與天線節(jié)之間及各天線節(jié)之間所加載的電阻阻值均為并聯(lián)電阻值。所述連接固定套包括設(shè)于連接固定套內(nèi)腔中部的圓柱孔，以及分設(shè)于該圓柱孔兩端至連接固定套兩端面的錐孔。本發(fā)明在兩個(gè)(根)單極子天線的天線頭與天線節(jié)之間及各天線節(jié)之間采用加載電阻的方法來改變天線表面電流分布、而不需填充媒質(zhì)，有效地改善了天線的性能同時(shí)簡化了生產(chǎn)工藝，使其能在低頻段及足夠的帶寬條件下與地質(zhì)鉆孔雷達(dá)配套工作、并在巖土介質(zhì)中探測更遠(yuǎn)的距離，通過單個(gè)鉆孔即可得到更寬范圍內(nèi)的地質(zhì)、資源信息，從而大大提高雷達(dá)探測效率及在巖土介質(zhì)中的探測范圍；本發(fā)明全向柱形偶極子天線可在中心頻率在 100M左右，帶寬彡120M的條件下與地質(zhì)鉆孔雷達(dá)配套工作，獲得的輻射波形整潔、主副比明顯、拖尾很小，在巖石介電常數(shù)和電導(dǎo)率變化時(shí)、其波形亦較穩(wěn)定；因而本發(fā)明全向柱形偶極子天線具有天線的綜合性能好、結(jié)構(gòu)簡單、直徑小，生產(chǎn)成本低，可在低頻段及足夠的帶寬條件下與地質(zhì)鉆孔雷達(dá)配套工作，并可有效提高地質(zhì)雷達(dá)的性能、探測范圍和效率等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式
仿真運(yùn)行的Sll (天線饋電點(diǎn)電壓反射系數(shù))曲線坐標(biāo)圖；圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式
仿真運(yùn)行的天線輻射的時(shí)域電場波形圖(坐標(biāo)圖)。圖中1.(管形)天線節(jié)，2.支撐管，3.節(jié)間固定套，4.加載電阻，5.壓力彈簧， 6.天線頭、6-1.(天線頭)中心孔，7.連接固定套，8-1.同軸電纜中心線、8-2.同軸電纜外 (層)導(dǎo)線，9.螺母套。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施方式以每(根)單極子天線長(即天線的半個(gè)振子長)1065mm、包含7個(gè)天線節(jié)1及一個(gè)天線頭6的井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線為例各天線頭6軸向長50mm，其中錐形頭部分長30mm、上底直徑Φ 20mm、下底直徑Φ 40mm、中心孔直徑Φ 8mm，后部筒形體內(nèi)、外徑分別為Φ30πιπι及Φ40πιπι，材質(zhì)為不銹鋼；各管體形天線節(jié)1軸向長均為 140mm、內(nèi)、外徑分別為Φ 30mm及Φ40mm，材質(zhì)為亦為不銹鋼；天線頭6后端面及各天線節(jié)1 相鄰的端面上均間隔90°設(shè)置4個(gè)直徑為Φ3πιπι、深為7. 5mm的用于安裝加載電阻4的座孔；兩支撐管2、每根長1035mm，內(nèi)、外徑分別為Φ20mm及Φ30mm，材質(zhì)為塑料；各加載電阻 4的長為10mm、直徑為Φ 2. 5mm，本實(shí)施方式在天6與天線節(jié)1之間以及在各天線節(jié)1 之間的兩端面上順軸向分別設(shè)4個(gè)電阻，其中天線頭6與天線節(jié)1之間4個(gè)電阻的阻值分別為20Ω，其后按從內(nèi)到外的順序在各天線節(jié)1之間的兩端面上所設(shè)每組0個(gè))電阻中各電阻阻值依次分別為36 Ω、64Ω、120 Ω ,192 Ω、280 Ω、400 Ω ；節(jié)間固定套3的內(nèi)、外徑分別為Φ30mm及Φ50mm，外環(huán)部分軸向長為15mm、其中嵌入兩端面之間的部分軸向厚5mm，材質(zhì)為絕緣塑料，其上亦間隔90°設(shè)置4個(gè)直徑為Φ3πιπι的通孔用于固定加載電阻4 ；壓力彈簧 5直徑Φ 2. 5mm、長IOmm(壓縮后的長度為5mm)；連接固定套7軸向長104mm，外徑Φ 50mm， 中部內(nèi)徑Φ20πιπι、長40mm、兩端與錐形頭配合的錐孔內(nèi)端直徑Φ20πιπι、外端直徑Φ40πιπι ；裝配時(shí)首先將天線頭6、各天線節(jié)1、節(jié)間固定套3、壓力彈簧5按要先后套于支撐管2上并依次裝入壓力彈簧5及各加載電阻4后，采用螺母套將各天線節(jié)等與支撐管2固定組裝成一單極子天線；然后將同軸電纜中心線8-1及同軸電纜外(層)導(dǎo)線8-2的端頭分別與兩個(gè)單極子天線上的天線頭6固定，最后將兩單極子天線上的天線頭6分別插入固定套7兩端的錐孔內(nèi)、粘接固定，即制得本實(shí)施方式所述井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線。該天線裝在外徑90mm、內(nèi)徑76. 6的pvc管內(nèi)，在中心頻率100M、帶寬120M、采用底寬IOns —階高斯脈沖激勵(lì)，在介電常數(shù)為8的巖石背景下進(jìn)行仿真運(yùn)行，其中附圖2、附圖3即分別為本實(shí)施方式所得全向柱形偶極子天線仿真運(yùn)行的Sll (天線饋電點(diǎn)電壓反射系數(shù))曲線圖(坐標(biāo)圖)及天線輻射的時(shí)域電場波形圖(坐標(biāo)圖)。從中可看出Sll曲線(參見附圖2)非常平坦，在40M-500M頻率范圍內(nèi)波動(dòng)僅為2. 5dB，而在 40M-200M范圍內(nèi)的波動(dòng)僅為1. 24dB ；而天線輻射的電場波形(參見圖3)整潔，主副比明顯(比值為1.78)、主峰IOns 以后的拖尾小于主峰的1/30，因此波形容易被識(shí)別。
權(quán)利要求
1.一種井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線，包括分別含單極子天線柱體和天線頭在內(nèi)的兩個(gè)單極子天線及連接固定套，同軸電纜，其特征在于各單極子天線柱體均為采用各管狀天線節(jié)串聯(lián)而成的管形柱體，兩個(gè)天線頭均為前部帶中心孔的錐形頭、而后部為筒形體的錐形天線頭，各錐形天線頭分別設(shè)于兩個(gè)單極子天線管形柱體的內(nèi)端，在兩個(gè)單極子天線管形柱體及天線頭內(nèi)還設(shè)有一支撐管，在天線頭與天線節(jié)之間以及在各天線節(jié)之間的兩端面上順軸向分別設(shè)有一組用于安裝加載電阻的座孔，各組加載電阻及相應(yīng)的壓力彈簧分別嵌于對(duì)應(yīng)的座孔內(nèi)、并使相鄰的兩端面相互隔離；天線節(jié)與天線頭之間、各天線節(jié)之間、連同加載電阻及壓力彈簧均通過相應(yīng)的節(jié)間固定套依次串聯(lián)于支撐管上并通過螺母套固定，以組成一個(gè)單極子天線；最后通過連接固定套將兩個(gè)單極子天線頭軸向相向固定成一體，而同軸電纜的中心線和外導(dǎo)線分別與兩個(gè)單極子天線的錐形天線頭固定連接后、 經(jīng)任一支撐管內(nèi)腔引出。
2.按權(quán)利要求1所述井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線，其特征在于所述在天線頭與天線節(jié)之間以及在各天線節(jié)之間的兩端面上順軸向分別設(shè)有一組用于安裝加載電阻的座孔，每組座孔數(shù)為3-6個(gè)、相鄰兩端面上各對(duì)應(yīng)的兩個(gè)座孔位于同一軸線上。
3.按權(quán)利要求1所述井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線，其特征在于所述兩個(gè)單極子天線，其中每個(gè)單極子天線包括1個(gè)天線頭及由5-9個(gè)管狀天線節(jié)組成的單極子天線。
4.按權(quán)利要求1或3所述井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線，其特征在于所述單極子天線，當(dāng)各單極子天線采用1個(gè)天線頭及7個(gè)天線節(jié)時(shí)、天線頭與天線節(jié)之間所加載的電阻阻值為4-6歐姆，各天線節(jié)之間所加載的電阻阻值由內(nèi)至外依次為8-10歐姆、14-18 歐姆、28-32歐姆、44-52歐姆、65-75歐姆、90-110歐姆，以上天線頭與天線節(jié)之間及各天線節(jié)之間所加載的電阻阻值均為并聯(lián)電阻值。
5.按權(quán)利要求1所述井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線，其特征在于所述連接固定套包括設(shè)于連接固定套內(nèi)腔中部的圓柱孔，以及分設(shè)于該圓柱孔兩端至連接固定套兩端面的錐孔。
全文摘要
該發(fā)明屬于井下地質(zhì)探測雷達(dá)用全向柱形偶極子天線，包括由單極子天線管形柱體、錐形天線頭，設(shè)于天線頭與天線節(jié)之間及各天線節(jié)之間兩端面座孔內(nèi)的加載電阻及相應(yīng)的壓力彈簧、節(jié)間固定套，支撐管，螺母套組成的單極子天線，連接固定套，同軸電纜。該發(fā)明在天線頭與天線節(jié)之間及各天線節(jié)之間加載電阻、以改變天線表面電流分布、既改善了天線的性能，又簡化了生產(chǎn)工藝，可在中心頻率100m左右、帶寬≥120m的條件下與鉆孔雷達(dá)配套工作，獲得的波形整潔、主副比明顯、拖尾很小，波形穩(wěn)定；因而具有天線的綜合性能好、結(jié)構(gòu)簡單、直徑小，生產(chǎn)成本低，可在低頻段及大帶寬條件下與鉆孔雷達(dá)配套、有效提高了鉆孔雷達(dá)的性能、探測范圍和效率等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q1/12GK102354794SQ20111016313
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者劉述章, 唐劍明, 趙青, 馬春光 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)