一种弯折结构电阻加载井中雷达超宽带天线

1.本发明属于天线领域，具体涉及一种弯折结构电阻加载井中雷达超宽带天线。


背景技术：

2.随着经济的发展，人类对于地下矿藏和化石能源的需求进一步提升，使得人类不断探索适用于地下资源勘探开发的先进技术。井中雷达(borehole radar,bhr)是一种新兴的高效地球物理勘探工具，它通过发射天线向井周地层发射频谱分布于uhf/vhf频段的瞬态脉冲信号，电磁脉冲遇到介电常数和电导率不同的介质时便会产生反射，根据天线接收的回波信号特征便可获取井周地层信息。作为井中雷达系统的末端收发组件——井中雷达天线，多为超宽带时域天线，其性能的优劣直接影响井中雷达的探测性能。然而在各种工程应用中，由于井眼的尺寸限制，井中雷达天线不可能采用常规的超宽带时域天线。电阻加载偶极子天线是井中雷达系统应用最广泛的天线类型，该类天线通过离散电阻加载的方式拓展其工作带宽。但加载电阻会大幅降低天线的辐射效率，在该超宽带天线工作带宽的低频处，辐射效率通常不超过25％；随着工作频率的提升，电阻加载偶极子天线的辐射效率也随之增加，但在工作带宽的高频处，天线的辐射方向图会出现裂瓣。故用电大尺寸的电阻加载偶极子天线辐射时域脉冲信号，其波形会失真。针对该问题，本专利提出一种将电大尺寸电阻加载偶极子天线渐变缩窄并弯折形成弯折结构电阻加载偶极子天线，该天线在克服脉冲波形失真的前提下，又能进一步提升了天线的辐射效率。


技术实现要素：

3.针对现有井中雷达天线在工作带宽低频段辐射效率低、高频段波形失真的问题，本发明提出了一种弯折结构电阻加载井中雷达超宽带天线。本发明天线利用了电阻加载偶极子天线在高频段实现相对较高的辐射效率，同时通过将偶极子臂后半段缩窄，规避了波形失真问题；还通过弯折的方式，对电阻加载偶极子天线实现了小型化；此外，该天线加工方便、工程上易于实现，且易于调试。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
5.一种弯折结构电阻加载井中雷达超宽带天线，包括矩形介质基板、以及设置于矩形介质基板的左右两侧呈中心对称的两个偶极子臂。
6.两个所述偶极子臂的临近端设置为馈电点。
7.所述偶极子臂包括从馈电点至臂尾依次连接的初始段、渐变段、弯折段；其中，所述初始段由馈电端的等腰梯形金属贴片与后续连接的矩形贴片组合而成；所述渐变段为直角梯形金属贴片；所述弯折段由线宽一致的矩形金属贴片v形周期弯折而成；所述初始段与所述渐变段之间加载有第一电阻；所述弯折段设置有若干垂直于延长段其长边的缝隙，缝隙内加载有第二电阻。
8.优选地，所述弯折段的矩形金属贴片的线宽为3.5mm，包含6个弯折周期，每段的长度为35.8mm，弯折角度为35
°
；所述第一电阻r0＝45ω；从馈电点至天线端部，弯折段缝隙内
加载的第二电阻，阻值分别为r1＝193ω，r2＝0.2ω，r3＝4254.5ω；所述初始段中的矩形贴片的宽为35mm，长为185.2mm；所述渐变段的长为47.9mm。
9.本发明的有益成果在于：
10.1.偶极子臂后臂尾部分的缩窄，会使天线的后半部分变为高阻线，从而抑制天线后半部分的末端反射，能够改善电大尺寸的电阻加载偶极子天线辐射时域波形的失真问题，提升天线辐射时域波形的保真度。
11.2.弯折段一方面能够实现天线小型化；另一方面会在电大尺寸电阻加载偶极子天线本身高辐射效率的基础上，通过叠加原理，进一步提升天线在工作带宽上的辐射效率。
12.3.对于电大尺寸电阻加载偶极子天线后半段进行缩窄弯折，并不影响该电大尺寸电阻加载偶极子天线原本的匹配，其阻抗带宽(s11《-10db)基本不变。
附图说明
13.图1为本发明天线缩窄弯折示意图；
14.图2为本发明天线主视图及尺寸标注；
15.图3为本发明天线和电大尺寸电阻加载偶极子天线的s11；
16.图4为电大尺寸电阻加载偶极子天线辐射峰-峰值脉宽为2ns的类一阶高斯脉冲时域波形图；
17.图5为本发明天线辐射峰-峰值脉宽为2ns的类一阶高斯脉冲的时域波形图；图6为本发明天线和电大尺寸电阻加载偶极子天线的辐射效率。
18.附图标记为：1.电大尺寸电阻加载偶极子天线单臂，2.渐变缩窄电阻加载偶极子天线单臂，3.缩窄弯折电阻加载偶极子天线单臂，301.初始段，302.渐变段，303.弯折段。
具体实施方式
19.下面结合实施例以及附图对本发明进行进一步说明。
20.以一个工作在中心频率150mhz、馈入峰-峰值脉宽为2ns的类一阶高斯脉冲弯折结构电阻加载井中雷达超宽带天线为实施例，如图1所示，该天线是将一个电大尺寸电阻加载偶极子天线1的后半段缩窄并弯折构成的。缩窄弯折电阻加载偶极子天线3，包括厚度为1.2mm、介电常数εr＝4.3的fr-4矩形介质基板，中心对称设置于介质基板左右两侧的两个偶极子臂，两个所述偶极子臂的临近端设置为馈电点。
21.所述偶极子臂包括从馈电点至臂尾依次连接的初始段、渐变段、弯折段；其中，所述初始段由馈电端的等腰梯形金属贴片与后续连接的矩形贴片组合而成；所述渐变段为直角梯形金属贴片；所述弯折段由线宽一致宽度为3.5mm的矩形金属贴片v形周期弯折而成；所述初始段与所述渐变段之间加载有第一电阻r0＝45ω；所述弯折段设置有3个垂直于延长段其长边的缝隙，缝隙内加载有第二电阻，阻值分别为r1＝193ω，r2＝0.2ω，r3＝4254.5ω。如图2所示，各结构尺寸具体为：l0＝8.5mm，l1＝185.2mm，l2＝47.9mm，l3＝35.8mm，d＝12.56mm，dw＝7.98mm，w＝35mm，lload＝1mm，angle＝35
°
。
22.所述初始段、渐变段的构成方式如图1所示：一个布置于矩形基板的电大尺寸电阻加载偶极子天线1，在其偶极子臂纵向中部开始，以直角梯形结构渐变，从而将偶极子臂后半部分向一侧缩窄，构成天线纵向后半部分缩窄的电阻加载偶极子印刷天线2。其中，靠近
馈电端的等腰梯形金属贴片和后续矩形贴片构成初始段；直角梯形渐变结构构成渐变段。
23.关于初始段和渐变段的设计：初始段和渐变段的构成与渐变缩窄位置以及等腰梯形渐变结构中等腰梯形的高相关，渐变缩窄的目的是将超宽带天线的尾部变为高阻线，抑制电流末端反射，从而提升天线辐射时域信号的保真度；故渐变段处于偶极子臂中部。同时，直角梯形的高则根据偶极子天线工作在半波、全波、3/2波长下的电流分布特征决定，通常为该天线单臂总长度的四分之一至三分之一。
24.关于弯折段的设计：弯折段的构成与天线渐变缩窄后的线宽和弯折角度相关。天线缩窄后的线宽，即渐变段末尾直角梯形的上底。其尺寸选择需要在线宽对末端反射的抑制和线宽对匹配的影响中综合考量。缩窄后的线宽过宽，则不利于消除末端反射；缩窄后的线宽过窄，则会对天线的匹配造成过大影响。缩窄后的弯折角度选择，也需要在小型化、辐射效率与弯折结构的互耦中综合考量。若弯折角过小，则弯折结构互耦严重，亦会造成天线失配；若弯折角过大，则弯折结构对于天线纵向尺寸的小型化效果有限，同时也会降低弯折带来的辐射效率提升。本实施例中，经渐变段后的缩窄弯折段，缩窄为原先的10％，弯折角为35
°
。

技术特征：
1.一种弯折结构电阻加载井中雷达超宽带天线，其特征在于，包括矩形介质基板、以及设置于矩形介质基板的左右两侧呈中心对称的两个偶极子臂；两个所述偶极子臂的临近端设置为馈电点；所述偶极子臂，包括从馈电点至臂尾依次连接的初始段、渐变段、弯折段；其中，所述初始段由馈电端的等腰梯形金属贴片与后续连接的矩形贴片组合而成；所述渐变段为直角梯形金属贴片；所述弯折段由线宽一致的矩形金属贴片v形周期弯折而成；所述初始段与所述渐变段之间加载有第一电阻；所述弯折段设置有若干垂直于延长段其长边的缝隙，缝隙内加载有第二电阻。2.如权利要求1所述的一种弯折结构电阻加载井中雷达超宽带天线，其特征在于，所述弯折段的矩形金属贴片的线宽为3.5mm，包含6个弯折周期，每段的长度为35.8mm，弯折角度为35
°
；所述第一电阻r0＝45ω；从馈电点至天线端部，弯折段缝隙内加载的第二电阻，阻值分别为r1＝193ω，r2＝0.2ω，r3＝4254.5ω；所述初始段中的矩形贴片的宽为35mm，长为185.2mm；所述渐变段的长为47.9mm。

技术总结
本发明提出了一种弯折结构电阻加载井中雷达超宽带天线，属于天线领域。该天线包括矩形介质基板、设置于其左右两侧的两个偶极子臂；两个偶极子臂的临近端为馈电点；偶极子臂包括从馈电点至臂尾依次连接的初始段、渐变段、弯折段。本发明天线利用电阻加载偶极子天线在高频段实现相对较高的辐射效率，同时通过将偶极子臂后半段缩窄，规避了波形失真问题；还通过弯折的方式，对电阻加载偶极子天线实现了小型化；此外，该天线加工方便、工程上易于实现，且易于调试。且易于调试。且易于调试。


技术研发人员：马春光 孙浩然 袁振乾 罗勇
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/14