论文部分内容阅读
近年来，钻孔探地雷达因其具有分辨率高、探测距离远以及结构简单的特点而被广泛研究，并且已经广泛的应用于石油探测、地质勘查、空洞探测等方面。
钻孔雷达系统在对外进行电磁波的辐射和接收时是由钻孔雷达系统的天线来完成的，因此，天线性能的好坏对一个钻孔雷达系统性能的优劣有着重大影响，这就使得钻孔雷达天线的设计和相关的研究将是整个钻孔雷达系统研究中的一个重要组成部分。钻孔雷达天线的工作环境是在井下，并且天线需要套上抗压的天线罩，因此天线的直径受到孔眼大小的制约，致使天线的工作频率、工作带宽、增益、方向性以及辐射波形都将受到影响，很难达到全方面的优良特性。本文结合钻孔雷达天线的特点，采用了新型的超宽带天线加载技术，即Wu-King加载方法，并在此基础上，在天线外增加充填有吸波材料（铁氧体）的金属背腔来改善天线的定向性和宽频性能。
本文设计的钻孔雷达天线为超宽带电阻加载偶极子天线，采用分布式的Wu-King加载方法，将多个集总电阻元件按照等对数间隔对称的加载到柱形的偶极子天线的两臂上，使得电流在沿天线传导的同时天线也在向周围空间辐射电磁波，加载电阻在这个过程中吸收了部分电磁能量，使得从天线末端反射的能量明显减小，从而使天线中的电流接近于行波，从而改善了天线的阻抗性能和宽频带性能并且减小了天线的长度。另外，通过对加载电阻的偶极子天线增加填充有特殊材料的金属背腔，可以进一步优化天线的性能，而且金属背腔还能起到一定的天线罩的作用。填充材料的选用方面，考虑了铁氧体材料的吸波特性及其与钻孔周围介质如石灰岩等的匹配关系，因此在本文的天线设计中选用铁氧体吸波材料作为衬底材料。
文中分别设计了两种金属背腔的加载电阻偶极子天线，一种是矩形背腔，在这种情况下，通过CST的优化设计，S参数在-10dB以下有两段带宽，分别是29MHz～38MHz和74MHz～600MHz，H面的半功率时域方向图±50.4°;另一种是柱形背腔，通过CST的优化设计，S参数在-10dB以下的带宽为34MHz～156MHz，达到了5倍频程的带宽，并且H面的半功率时域方向图±135°。通过比较两种不同背腔的加载天线，我们可以看出，柱形背腔加载偶极子天线较之矩形背腔加载偶极子天线的工作频率要低，优势相对明显。
钻孔雷达系统在对外进行电磁波的辐射和接收时是由钻孔雷达系统的天线来完成的，因此，天线性能的好坏对一个钻孔雷达系统性能的优劣有着重大影响，这就使得钻孔雷达天线的设计和相关的研究将是整个钻孔雷达系统研究中的一个重要组成部分。钻孔雷达天线的工作环境是在井下，并且天线需要套上抗压的天线罩，因此天线的直径受到孔眼大小的制约，致使天线的工作频率、工作带宽、增益、方向性以及辐射波形都将受到影响，很难达到全方面的优良特性。本文结合钻孔雷达天线的特点，采用了新型的超宽带天线加载技术，即Wu-King加载方法，并在此基础上，在天线外增加充填有吸波材料（铁氧体）的金属背腔来改善天线的定向性和宽频性能。
本文设计的钻孔雷达天线为超宽带电阻加载偶极子天线，采用分布式的Wu-King加载方法，将多个集总电阻元件按照等对数间隔对称的加载到柱形的偶极子天线的两臂上，使得电流在沿天线传导的同时天线也在向周围空间辐射电磁波，加载电阻在这个过程中吸收了部分电磁能量，使得从天线末端反射的能量明显减小，从而使天线中的电流接近于行波，从而改善了天线的阻抗性能和宽频带性能并且减小了天线的长度。另外，通过对加载电阻的偶极子天线增加填充有特殊材料的金属背腔，可以进一步优化天线的性能，而且金属背腔还能起到一定的天线罩的作用。填充材料的选用方面，考虑了铁氧体材料的吸波特性及其与钻孔周围介质如石灰岩等的匹配关系，因此在本文的天线设计中选用铁氧体吸波材料作为衬底材料。
文中分别设计了两种金属背腔的加载电阻偶极子天线，一种是矩形背腔，在这种情况下，通过CST的优化设计，S参数在-10dB以下有两段带宽，分别是29MHz～38MHz和74MHz～600MHz，H面的半功率时域方向图±50.4°;另一种是柱形背腔，通过CST的优化设计，S参数在-10dB以下的带宽为34MHz～156MHz，达到了5倍频程的带宽，并且H面的半功率时域方向图±135°。通过比较两种不同背腔的加载天线，我们可以看出，柱形背腔加载偶极子天线较之矩形背腔加载偶极子天线的工作频率要低，优势相对明显。