专利名称：一种井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线的制作方法
技术领域：
本发明属于一种与探测雷达配套用偶极子天线，特别是一种与地质探测雷达配套在地质钻探井中使用、并采用电阻加载的宽带低频全向柱形偶极子天线；该天线可经地质钻探井深入地下工作，并与地质探测雷达配套用于地质环境调查、资源勘探等。
背景技术：
探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术，它通过发射高频脉冲电磁波，利用地下介质电性参数的差异，根据回波的振幅、相位等特征来分析和推断地下介质结构和物质特征。地质雷达一般采用的地球物理方法都是在地表或者待测体表面进行的，然而由于地下或者待测体内部的结构比较复杂，仅仅依靠从这些方法中所获得的数据很难准确推断地质或待测资源特性、方位等信息，应用钻孔雷达进行更深层的井下探测就成为了一种必要手段。天线作为钻孔雷达成像系统的核心部件，直接影响到雷达的探测范围和精度。为了得到易于识别、保真性好的波形，需要天线具有较宽带宽；同时天线工作频率越低，在岩土中传播距离就越远、雷达探测范围就越大，但若带宽较窄、则波形易产生畸变，因而在带宽足够的情况下低频天线就成为一种理想选择。在公开号为CN101908669A、名称为《四分支多频柱状偶极子天线》专利文献中公开了一种主要由第一、第二、第三、第四分支，露铜区， 馈源构成的天线。露铜区为一空心铜棒(管)、而馈源为细实铜棒；第一、第二分支位于第三、第四分支下面；馈源通过第三、第四分支上的电路与三、四分支相连；露铜区通过一、二分支上的电路与一、二分支相连，露铜区还与第一分支顶端和第二分支下端相连。由于馈源同时连接三、四分支，故三、四分支为并联结构；露铜区又同时连接一、二分支，故一、二分支亦为并联结构。该天线工作频率在700M到2500M之间，工作频率较高而带宽仅50-60M，而采用电路与四个分支对应连接的结构，使馈源与各分支可以更好地匹配，有助于天线带宽的扩展；但第四分支采用螺旋状结构，在增加了天线长度的同时、也带来了部分电感效应，此外、虽然通过增加分支数在一定程度上起到了增加带宽的作用，但同时在其带宽内Sll (天线馈电点电压反射系数)的波动(范围)也很大，即各频率处辐射能量差别较大，这将会引起天线辐射的时域波形失真，不能与脉冲雷达配套使用；此外，该天线为有源天线、结构较复杂，也难以与钻孔雷达配套应用。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线，以简化天线结构、降低生产成本，能在低频段及足够的带宽条件下与地质钻孔雷达配套工作、以提高在岩土介质中的探测范围；从而达到天线结构简单、有效提高地质雷达的性能、探测范围和效率等目的。本发明的解决方案是均采用金属筒体作为本发明偶极子天线中两个(根)管形单极子天线柱体中的各天线节；天线头则采用带中心孔的锥形头、并分设于两单极子天线柱体的内端，两锥形头的前端面均与天线轴线(中心线)垂直、而后部为与天线节直径相同的筒形体；各天线节之间和天线节与天线头之间的两端面上顺轴向分别对应设有一组座孔、 用于安装加载电阻；装配时分别将一个(根)单极子天线体中的各天线节和天线头依次套于(内)支撑管上、并在各天线节之间及前端天线节与天线头之间的座孔内装入压力弹簧、 电阻和节间固定套将各天线节及天线头串联成一体并通过螺母套固定、组成一管状单极子天线；最后将两个(根)单极子天线的天线头轴向相向地通过连接固定套间隔紧固成一体， 在固定前将同轴电缆经一单极子天线柱体的支撑管及天线头中心孔内孔穿入、同轴电缆的中心线和外(层)导线分别与两天线头紧固连接。因此，本发明全向柱形偶极子天线包括分别含单极子天线柱体和天线头在内的两个(根)单极子天线及连接固定套，(用于连接馈源的)同轴电缆，关键在于各单极子天线柱体均为采用各管状天线节串联而成的管形柱体，两个天线头均为前部带中心孔的锥形头、而后部为筒形体的锥形天线头，各锥形天线头分别设于两个单极子天线管形柱体的内端，在两个单极子天线管形柱体及天线头内还设有一支撑管，在天线头与天线节之间以及在各天线节之间的两端面上顺轴向分别设有一组用于安装加载电阻的座孔，各组加载电阻及相应的压力弹簧分别嵌于对应的座孔内、并使相邻的两端面相互隔离；天线节与天线头之间、各天线节之间、连同加载电阻及压力弹簧均通过相应的节间固定套依次串联于支撑管上并通过螺母套固定，以组成一个(根)单极子天线；最后通过连接固定套将两个单极子天线头轴向相向固定成一体，而同轴电缆的中心线和外(层)导线分别与两个单极子天线的锥形天线头固定连接后、经任一支撑管内腔引出。上述在天线头与天线节之间以及在各天线节之间的两端面上顺轴向分别设有一组用于安装加载电阻的座孔，每组座孔数为3-6个、相邻两端面上各对应的两个座孔位于同一轴线上。所述含单极子天线管形柱体和天线头在内的两个单极子天线，其中每个单极子天线包括1个天线头及由5-9个管状天线节组成的单极子天线。所述单极子天线，当各单极子天线采用1个天线头及7个天线节时、天线头与天线节之间所加载的电阻阻值为4-6 欧姆，各天线节之间所加载的电阻阻值由内至外依次为8-10欧姆、14-18欧姆、28-32欧姆、 44-52欧姆、65-75欧姆、90-110欧姆，以上天线头与天线节之间及各天线节之间所加载的电阻阻值均为并联电阻值。所述连接固定套包括设于连接固定套内腔中部的圆柱孔，以及分设于该圆柱孔两端至连接固定套两端面的锥孔。本发明在两个(根)单极子天线的天线头与天线节之间及各天线节之间采用加载电阻的方法来改变天线表面电流分布、而不需填充媒质，有效地改善了天线的性能同时简化了生产工艺，使其能在低频段及足够的带宽条件下与地质钻孔雷达配套工作、并在岩土介质中探测更远的距离，通过单个钻孔即可得到更宽范围内的地质、资源信息，从而大大提高雷达探测效率及在岩土介质中的探测范围；本发明全向柱形偶极子天线可在中心频率在 100M左右，带宽彡120M的条件下与地质钻孔雷达配套工作，获得的辐射波形整洁、主副比明显、拖尾很小，在岩石介电常数和电导率变化时、其波形亦较稳定；因而本发明全向柱形偶极子天线具有天线的综合性能好、结构简单、直径小，生产成本低，可在低频段及足够的带宽条件下与地质钻孔雷达配套工作，并可有效提高地质雷达的性能、探测范围和效率等特点。
图1为本发明结构示意图2为本发明具体实施方式
仿真运行的Sll (天线馈电点电压反射系数)曲线坐标图；图3为本发明具体实施方式
仿真运行的天线辐射的时域电场波形图(坐标图)。图中1.(管形)天线节，2.支撑管，3.节间固定套，4.加载电阻，5.压力弹簧， 6.天线头、6-1.(天线头)中心孔，7.连接固定套，8-1.同轴电缆中心线、8-2.同轴电缆外 (层)导线，9.螺母套。
具体实施例方式本实施方式以每(根)单极子天线长(即天线的半个振子长)1065mm、包含7个天线节1及一个天线头6的井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线为例各天线头6轴向长50mm，其中锥形头部分长30mm、上底直径Φ 20mm、下底直径Φ 40mm、中心孔直径Φ 8mm，后部筒形体内、外径分别为Φ30πιπι及Φ40πιπι，材质为不锈钢；各管体形天线节1轴向长均为 140mm、内、外径分别为Φ 30mm及Φ40mm，材质为亦为不锈钢；天线头6后端面及各天线节1 相邻的端面上均间隔90°设置4个直径为Φ3πιπι、深为7. 5mm的用于安装加载电阻4的座孔；两支撑管2、每根长1035mm，内、外径分别为Φ20mm及Φ30mm，材质为塑料；各加载电阻 4的长为10mm、直径为Φ 2. 5mm，本实施方式在天6与天线节1之间以及在各天线节1 之间的两端面上顺轴向分别设4个电阻，其中天线头6与天线节1之间4个电阻的阻值分别为20Ω，其后按从内到外的顺序在各天线节1之间的两端面上所设每组0个)电阻中各电阻阻值依次分别为36 Ω、64Ω、120 Ω ,192 Ω、280 Ω、400 Ω ；节间固定套3的内、外径分别为Φ30mm及Φ50mm，外环部分轴向长为15mm、其中嵌入两端面之间的部分轴向厚5mm，材质为绝缘塑料，其上亦间隔90°设置4个直径为Φ3πιπι的通孔用于固定加载电阻4 ；压力弹簧 5直径Φ 2. 5mm、长IOmm(压缩后的长度为5mm)；连接固定套7轴向长104mm，外径Φ 50mm， 中部内径Φ20πιπι、长40mm、两端与锥形头配合的锥孔内端直径Φ20πιπι、外端直径Φ40πιπι ；装配时首先将天线头6、各天线节1、节间固定套3、压力弹簧5按要先后套于支撑管2上并依次装入压力弹簧5及各加载电阻4后，采用螺母套将各天线节等与支撑管2固定组装成一单极子天线；然后将同轴电缆中心线8-1及同轴电缆外(层)导线8-2的端头分别与两个单极子天线上的天线头6固定，最后将两单极子天线上的天线头6分别插入固定套7两端的锥孔内、粘接固定，即制得本实施方式所述井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线。该天线装在外径90mm、内径76. 6的pvc管内，在中心频率100M、带宽120M、采用底宽IOns —阶高斯脉冲激励，在介电常数为8的岩石背景下进行仿真运行，其中附图2、附图3即分别为本实施方式所得全向柱形偶极子天线仿真运行的Sll (天线馈电点电压反射系数)曲线图(坐标图)及天线辐射的时域电场波形图(坐标图)。从中可看出Sll曲线(参见附图2)非常平坦，在40M-500M频率范围内波动仅为2. 5dB，而在 40M-200M范围内的波动仅为1. 24dB ；而天线辐射的电场波形(参见图3)整洁，主副比明显(比值为1.78)、主峰IOns 以后的拖尾小于主峰的1/30，因此波形容易被识别。
权利要求
1.一种井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线，包括分别含单极子天线柱体和天线头在内的两个单极子天线及连接固定套，同轴电缆，其特征在于各单极子天线柱体均为采用各管状天线节串联而成的管形柱体，两个天线头均为前部带中心孔的锥形头、而后部为筒形体的锥形天线头，各锥形天线头分别设于两个单极子天线管形柱体的内端，在两个单极子天线管形柱体及天线头内还设有一支撑管，在天线头与天线节之间以及在各天线节之间的两端面上顺轴向分别设有一组用于安装加载电阻的座孔，各组加载电阻及相应的压力弹簧分别嵌于对应的座孔内、并使相邻的两端面相互隔离；天线节与天线头之间、各天线节之间、连同加载电阻及压力弹簧均通过相应的节间固定套依次串联于支撑管上并通过螺母套固定，以组成一个单极子天线；最后通过连接固定套将两个单极子天线头轴向相向固定成一体，而同轴电缆的中心线和外导线分别与两个单极子天线的锥形天线头固定连接后、 经任一支撑管内腔引出。
2.按权利要求1所述井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线，其特征在于所述在天线头与天线节之间以及在各天线节之间的两端面上顺轴向分别设有一组用于安装加载电阻的座孔，每组座孔数为3-6个、相邻两端面上各对应的两个座孔位于同一轴线上。
3.按权利要求1所述井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线，其特征在于所述两个单极子天线，其中每个单极子天线包括1个天线头及由5-9个管状天线节组成的单极子天线。
4.按权利要求1或3所述井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线，其特征在于所述单极子天线，当各单极子天线采用1个天线头及7个天线节时、天线头与天线节之间所加载的电阻阻值为4-6欧姆，各天线节之间所加载的电阻阻值由内至外依次为8-10欧姆、14-18 欧姆、28-32欧姆、44-52欧姆、65-75欧姆、90-110欧姆，以上天线头与天线节之间及各天线节之间所加载的电阻阻值均为并联电阻值。
5.按权利要求1所述井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线，其特征在于所述连接固定套包括设于连接固定套内腔中部的圆柱孔，以及分设于该圆柱孔两端至连接固定套两端面的锥孔。
全文摘要
该发明属于井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线，包括由单极子天线管形柱体、锥形天线头，设于天线头与天线节之间及各天线节之间两端面座孔内的加载电阻及相应的压力弹簧、节间固定套，支撑管，螺母套组成的单极子天线，连接固定套，同轴电缆。该发明在天线头与天线节之间及各天线节之间加载电阻、以改变天线表面电流分布、既改善了天线的性能，又简化了生产工艺，可在中心频率100m左右、带宽≥120m的条件下与钻孔雷达配套工作，获得的波形整洁、主副比明显、拖尾很小，波形稳定；因而具有天线的综合性能好、结构简单、直径小，生产成本低，可在低频段及大带宽条件下与钻孔雷达配套、有效提高了钻孔雷达的性能、探测范围和效率等特点。
文档编号H01Q1/12GK102354794SQ20111016313
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者刘述章, 唐剑明, 赵青, 马春光 申请人:电子科技大学