專利名稱：一種井下地質探測雷達用全向柱形偶極子天線的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種與探測雷達配套用偶極子天線，特別是一種與地質探測雷達配套在地質鉆探井中使用、并采用電阻加載的寬帶低頻全向柱形偶極子天線；該天線可經地質鉆探井深入地下工作，并與地質探測雷達配套用于地質環境調查、資源勘探等。
背景技術：
探地雷達是一種高效的淺層地球物理探測技術，它通過發射高頻脈沖電磁波，利用地下介質電性參數的差異，根據回波的振幅、相位等特征來分析和推斷地下介質結構和物質特征。地質雷達一般采用的地球物理方法都是在地表或者待測體表面進行的，然而由于地下或者待測體內部的結構比較復雜，僅僅依靠從這些方法中所獲得的數據很難準確推斷地質或待測資源特性、方位等信息，應用鉆孔雷達進行更深層的井下探測就成為了一種必要手段。天線作為鉆孔雷達成像系統的核心部件，直接影響到雷達的探測范圍和精度。為了得到易于識別、保真性好的波形，需要天線具有較寬帶寬；同時天線工作頻率越低，在巖土中傳播距離就越遠、雷達探測范圍就越大，但若帶寬較窄、則波形易產生畸變，因而在帶寬足夠的情況下低頻天線就成為一種理想選擇。在公開號為CN101908669A、名稱為《四分支多頻柱狀偶極子天線》專利文獻中公開了一種主要由第一、第二、第三、第四分支，露銅區， 饋源構成的天線。露銅區為一空心銅棒(管)、而饋源為細實銅棒；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；露銅區通過一、二分支上的電路與一、二分支相連，露銅區還與第一分支頂端和第二分支下端相連。由于饋源同時連接三、四分支，故三、四分支為并聯結構；露銅區又同時連接一、二分支，故一、二分支亦為并聯結構。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，而采用電路與四個分支對應連接的結構，使饋源與各分支可以更好地匹配，有助于天線帶寬的擴展；但第四分支采用螺旋狀結構，在增加了天線長度的同時、也帶來了部分電感效應，此外、雖然通過增加分支數在一定程度上起到了增加帶寬的作用，但同時在其帶寬內Sll (天線饋電點電壓反射系數)的波動(范圍)也很大，即各頻率處輻射能量差別較大，這將會引起天線輻射的時域波形失真，不能與脈沖雷達配套使用；此外，該天線為有源天線、結構較復雜，也難以與鉆孔雷達配套應用。
發明內容
本發明的目的在于針對背景技術存在的缺陷，研究設計一種井下地質探測雷達用全向柱形偶極子天線，以簡化天線結構、降低生產成本，能在低頻段及足夠的帶寬條件下與地質鉆孔雷達配套工作、以提高在巖土介質中的探測范圍；從而達到天線結構簡單、有效提高地質雷達的性能、探測范圍和效率等目的。本發明的解決方案是均采用金屬筒體作為本發明偶極子天線中兩個(根)管形單極子天線柱體中的各天線節；天線頭則采用帶中心孔的錐形頭、并分設于兩單極子天線柱體的內端，兩錐形頭的前端面均與天線軸線(中心線)垂直、而后部為與天線節直徑相同的筒形體；各天線節之間和天線節與天線頭之間的兩端面上順軸向分別對應設有一組座孔、 用于安裝加載電阻；裝配時分別將一個(根)單極子天線體中的各天線節和天線頭依次套于(內)支撐管上、并在各天線節之間及前端天線節與天線頭之間的座孔內裝入壓力彈簧、 電阻和節間固定套將各天線節及天線頭串聯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(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一單極子天線柱體的支撐管及天線頭中心孔內孔穿入、同軸電纜的中心線和外(層)導線分別與兩天線頭緊固連接。因此，本發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的兩個(根)單極子天線及連接固定套，(用于連接饋源的)同軸電纜，關鍵在于各單極子天線柱體均為采用各管狀天線節串聯而成的管形柱體，兩個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于兩個單極子天線管形柱體的內端，在兩個單極子天線管形柱體及天線頭內還設有一支撐管，在天線頭與天線節之間以及在各天線節之間的兩端面上順軸向分別設有一組用于安裝加載電阻的座孔，各組加載電阻及相應的壓力彈簧分別嵌于對應的座孔內、并使相鄰的兩端面相互隔離；天線節與天線頭之間、各天線節之間、連同加載電阻及壓力彈簧均通過相應的節間固定套依次串聯于支撐管上并通過螺母套固定，以組成一個(根)單極子天線；最后通過連接固定套將兩個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)導線分別與兩個單極子天線的錐形天線頭固定連接后、經任一支撐管內腔引出。上述在天線頭與天線節之間以及在各天線節之間的兩端面上順軸向分別設有一組用于安裝加載電阻的座孔，每組座孔數為3-6個、相鄰兩端面上各對應的兩個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的兩個單極子天線，其中每個單極子天線包括1個天線頭及由5-9個管狀天線節組成的單極子天線。所述單極子天線，當各單極子天線采用1個天線頭及7個天線節時、天線頭與天線節之間所加載的電阻阻值為4-6 歐姆，各天線節之間所加載的電阻阻值由內至外依次為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之間及各天線節之間所加載的電阻阻值均為并聯電阻值。所述連接固定套包括設于連接固定套內腔中部的圓柱孔，以及分設于該圓柱孔兩端至連接固定套兩端面的錐孔。本發明在兩個(根)單極子天線的天線頭與天線節之間及各天線節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，有效地改善了天線的性能同時簡化了生產工藝，使其能在低頻段及足夠的帶寬條件下與地質鉆孔雷達配套工作、并在巖土介質中探測更遠的距離，通過單個鉆孔即可得到更寬范圍內的地質、資源信息，從而大大提高雷達探測效率及在巖土介質中的探測范圍；本發明全向柱形偶極子天線可在中心頻率在 100M左右，帶寬彡120M的條件下與地質鉆孔雷達配套工作，獲得的輻射波形整潔、主副比明顯、拖尾很小，在巖石介電常數和電導率變化時、其波形亦較穩定；因而本發明全向柱形偶極子天線具有天線的綜合性能好、結構簡單、直徑小，生產成本低，可在低頻段及足夠的帶寬條件下與地質鉆孔雷達配套工作，并可有效提高地質雷達的性能、探測范圍和效率等特點。
圖1為本發明結構示意圖2為本發明具體實施方式
仿真運行的Sll (天線饋電點電壓反射系數)曲線坐標圖；圖3為本發明具體實施方式
仿真運行的天線輻射的時域電場波形圖(坐標圖)。圖中1.(管形)天線節，2.支撐管，3.節間固定套，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)導線，9.螺母套。
具體實施例方式本實施方式以每(根)單極子天線長(即天線的半個振子長)1065mm、包含7個天線節1及一個天線頭6的井下地質探測雷達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、外徑分別為Φ30πιπι及Φ40πιπι，材質為不銹鋼；各管體形天線節1軸向長均為 140mm、內、外徑分別為Φ 30mm及Φ40mm，材質為亦為不銹鋼；天線頭6后端面及各天線節1 相鄰的端面上均間隔90°設置4個直徑為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、外徑分別為Φ20mm及Φ30mm，材質為塑料；各加載電阻 4的長為10mm、直徑為Φ 2. 5mm，本實施方式在天6與天線節1之間以及在各天線節1 之間的兩端面上順軸向分別設4個電阻，其中天線頭6與天線節1之間4個電阻的阻值分別為20Ω，其后按從內到外的順序在各天線節1之間的兩端面上所設每組0個)電阻中各電阻阻值依次分別為36 Ω、64Ω、120 Ω ,192 Ω、280 Ω、400 Ω ；節間固定套3的內、外徑分別為Φ30mm及Φ50mm，外環部分軸向長為15mm、其中嵌入兩端面之間的部分軸向厚5mm，材質為絕緣塑料，其上亦間隔90°設置4個直徑為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， 中部內徑Φ20πιπι、長40mm、兩端與錐形頭配合的錐孔內端直徑Φ20πιπι、外端直徑Φ40πιπι ；裝配時首先將天線頭6、各天線節1、節間固定套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)導線8-2的端頭分別與兩個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、粘接固定，即制得本實施方式所述井下地質探測雷達用全向柱形偶極子天線。該天線裝在外徑90mm、內徑76. 6的pvc管內，在中心頻率100M、帶寬120M、采用底寬IOns —階高斯脈沖激勵，在介電常數為8的巖石背景下進行仿真運行，其中附圖2、附圖3即分別為本實施方式所得全向柱形偶極子天線仿真運行的Sll (天線饋電點電壓反射系數)曲線圖(坐標圖)及天線輻射的時域電場波形圖(坐標圖)。從中可看出Sll曲線(參見附圖2)非常平坦，在40M-500M頻率范圍內波動僅為2. 5dB，而在 40M-200M范圍內的波動僅為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，因此波形容易被識別。
權利要求
1.一種井下地質探測雷達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的兩個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串聯而成的管形柱體，兩個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于兩個單極子天線管形柱體的內端，在兩個單極子天線管形柱體及天線頭內還設有一支撐管，在天線頭與天線節之間以及在各天線節之間的兩端面上順軸向分別設有一組用于安裝加載電阻的座孔，各組加載電阻及相應的壓力彈簧分別嵌于對應的座孔內、并使相鄰的兩端面相互隔離；天線節與天線頭之間、各天線節之間、連同加載電阻及壓力彈簧均通過相應的節間固定套依次串聯于支撐管上并通過螺母套固定，以組成一個單極子天線；最后通過連接固定套將兩個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線分別與兩個單極子天線的錐形天線頭固定連接后、 經任一支撐管內腔引出。
2.按權利要求1所述井下地質探測雷達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之間以及在各天線節之間的兩端面上順軸向分別設有一組用于安裝加載電阻的座孔，每組座孔數為3-6個、相鄰兩端面上各對應的兩個座孔位于同一軸線上。
3.按權利要求1所述井下地質探測雷達用全向柱形偶極子天線，其特征在于所述兩個單極子天線，其中每個單極子天線包括1個天線頭及由5-9個管狀天線節組成的單極子天線。
4.按權利要求1或3所述井下地質探測雷達用全向柱形偶極子天線，其特征在于所述單極子天線，當各單極子天線采用1個天線頭及7個天線節時、天線頭與天線節之間所加載的電阻阻值為4-6歐姆，各天線節之間所加載的電阻阻值由內至外依次為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之間及各天線節之間所加載的電阻阻值均為并聯電阻值。
5.按權利要求1所述井下地質探測雷達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于連接固定套內腔中部的圓柱孔，以及分設于該圓柱孔兩端至連接固定套兩端面的錐孔。
全文摘要
該發明屬于井下地質探測雷達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，設于天線頭與天線節之間及各天線節之間兩端面座孔內的加載電阻及相應的壓力彈簧、節間固定套，支撐管，螺母套組成的單極子天線，連接固定套，同軸電纜。該發明在天線頭與天線節之間及各天線節之間加載電阻、以改變天線表面電流分布、既改善了天線的性能，又簡化了生產工藝，可在中心頻率100m左右、帶寬≥120m的條件下與鉆孔雷達配套工作，獲得的波形整潔、主副比明顯、拖尾很小，波形穩定；因而具有天線的綜合性能好、結構簡單、直徑小，生產成本低，可在低頻段及大帶寬條件下與鉆孔雷達配套、有效提高了鉆孔雷達的性能、探測范圍和效率等特點。
文檔編號H01Q1/12GK102354794SQ20111016313
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月17日 優先權日2011年6月17日
發明者劉述章, 唐劍明, 趙青, 馬春光 申請人:電子科技大學