阅读说明：本技术 一种用于井中雷达的定向天线系统 (Directional antenna system for radar in well ) 是由 赵青 童继生 郭成 赵怿哲 李佳黛 刘耀耀 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于井中雷达的定向天线系统,属于井中雷达技术领域。本发明的定向天线系包括天线单元(1)、玻璃钢管(2)、天线保护壳(3)、填充液(4)、射频开关(5)和十字形金属结构(6)；玻璃钢管(2)位于天线保护壳(3)内,玻璃钢管(2)内部注入有填充液(4),多个天线单元(1)等间隔分布于玻璃钢管(2)的外侧壁且与玻璃钢管(2)共形,各天线单元(1)与玻璃钢管(2)的中心轴的间距相同；天线单元(1)之间设置有与玻璃钢管(2)共形的金属阵列结构,金属阵列结构包括至少两排沿玻璃钢管(2)的中心轴方向排列的十字形金属结构(6),十字形金属结构(6)之间以及十字形金属结构(6)与相邻的天线单元(1)之间通过射频开关(5)相连。本发明提供的定向天线系的体积小,具备超宽带、高辐射效率特性,波束扫描的能力和井下工作的能力。(The invention discloses a directional antenna system for an in-well radar, and belongs to the technical field of in-well radars. The directional antenna system comprises an antenna unit (1), a glass fiber reinforced plastic pipe (2), an antenna protective shell (3), filling liquid (4), a radio frequency switch (5) and a cross-shaped metal structure (6); the glass fiber reinforced plastic pipe (2) is positioned in the antenna protective shell (3), filling liquid (4) is injected into the glass fiber reinforced plastic pipe (2), the antenna units (1) are distributed on the outer side wall of the glass fiber reinforced plastic pipe (2) at equal intervals and are conformal with the glass fiber reinforced plastic pipe (2), and the distance between the antenna units (1) and the central axis of the glass fiber reinforced plastic pipe (2) is the same; be provided with the metal array structure conformal with glass steel pipe (2) between antenna element (1), metal array structure includes two row at least cross metal structure (6) of arranging along the center pin direction of glass steel pipe (2), links to each other through radio frequency switch (5) between cross metal structure (6) and adjacent antenna element (1). The directional antenna system provided by the invention has small volume, and has the characteristics of ultra wide band and high radiation efficiency, and the capability of beam scanning and the capability of underground working.)

一种用于井中雷达的定向天线系统

技术领域

本发明涉及井中雷达技术领域，特别涉及一种用于井中雷达的定向天线系统。

背景技术

井中雷达是探地雷达的一个重要分支，作为一种快速无损的测量方式被广泛的应用于石油矿产开采、考古挖掘、地下孔隙勘探、地下溶洞测量等领域。由于井中雷达工作于井孔中，与普通的探地雷达相比井中雷达除了需要具备普通探地雷达特性外，还需要雷达系统体积细小、具备水密特性。

天线作为雷达系统的关键部件之一，其性能好坏直接影响雷达探测性能。鉴于井中雷达的尺寸限制，井中雷达大多都采用电阻加载的行波偶极子天线，这种天线拥有细长的外形、超宽的工作带宽，满足一般井中雷达性能需求。但它是一种全向辐射的天线，因此在探测过程中很难获取目标的方位角信息，无法对目标进行三维定位。但目标的方位信息获取在工程探测中是十分重要的。为了获取目标的方位角信息，国内外学者提出了各种方案，具体可归纳为两种，一种是设计定向天线，利用数个定向天线沿轴向方向组阵，每个定向单元的主瓣朝向不同，由这些主瓣方向不同的单元完成井中360°覆盖。这样虽然可以获取目标的角度信息，但由于所有单元处于不同平面，为目标的三维定位带来困难。另一种则是在同一平面利用四个全向天线，通过分析四个天线接收的回波信号的幅度和相位差来获取目标的方位角信息。但是由于四个天线靠的太近这些天线接收到的信号差异不明显，且天线间的干扰较大，实现起来难度较高。

因此设计一款单元间干扰小且所有单元处于同一平面的井中雷达定向天线系统，对于井中雷达探测时目标方位角的获取是十分有利的。

发明内容

本发明提供了一种用于井中雷达的定向天线系统，该天线系统体积小，而且还具备波束扫描的功能。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于井中雷达的定向天线系统，包括天线单元、玻璃钢管、天线保护壳、填充液、射频开关和十字形金属结构；

所述玻璃钢管位于天线保护壳内，所述玻璃钢管的内部注入有填充液；

多个天线单元等间隔分布于玻璃钢管的外侧壁，每个天线单元与玻璃钢管的中心轴的间距相同，且天线单元与玻璃钢管共形；

所述天线单元之间设置有金属阵列结构，且金属阵列结构与玻璃钢管共形，所述金属阵列结构包括至少两排沿玻璃钢管的中心轴方向排列的十字形金属结构，并且十字形金属结构之间以及十字形金属结构与相邻的天线单元之间通过射频开关相连，通过控制射频开关的导通，使得天线单元接替工作，即当指定的一个天线单元工作时，其余天线单元与其之间的金属阵列结构导通形成一个金属反射面。

由于采用了上述技术方案，本发明通过将十字形金属结构安装于天线单元之间，并且与玻璃钢管共形，这样布置的十字形金属结构使其相邻天线单元在它的作用下，实现了超宽带、高辐射效率特性。通过射频开关的导通，使得天线系统具有波束扫描的能力。玻璃钢管内部注入填充液，通过填充液来平衡玻璃钢管在井中受到的压力，以及利用填充液的高相对介电常数的特性来减小天线的体积。天线外部安装有天线保护壳，用于保护天线在测井时不被井内物质损伤。进而使得该天线系统具备在井下工作的能力。

进一步的，所述天线单元的天线单元馈电点位于天线单元的中部。

进一步的，位于所述金属阵列结构的首尾两端的十字形金属结构缺少一个侧面的支出端，呈横向的“T”字型结构。

进一步的，所述天线单元的宽度设置为5～15mm，长度设置为其中，ε_eff表示天线单元的周围物质的有效介电常数，f表示定向天线系统的工作频率。

进一步的，玻璃钢管的内径R₁和外径R₂的单位为毫米，且满足：32≤R₁≤R₂-5≤42.5。

进一步的，所述十字形金属结构的尺寸为：

定义2x表示十字形金属结构平行于玻璃钢管的中心轴的长度，定义y表示十字形金属结构垂直于玻璃钢管的中心轴的长度，且满足：其中，l、w分别表示天线单元的长度和宽，R₂表示玻璃钢管的外径。

进一步的，所述天线单元的数量为四，分别位于玻璃钢管)的0°、90°、180°和270°方向上。

进一步的，所述射频开关为PIN二极管。

综上，本发明提供的技术方案至少带来如下有益效果：

(1)通过控制射频开关的导通，使得天线系统具有波束扫描的能力；

(2)天线系统具备在井下工作的能力；

(3)天线采用共形的技术手段以及在填充玻璃钢管内填充液使其结构紧凑、体积细小；

(4)天线系统的天线单元处于同一平面，且每个单元拥有高定向特性，这便于井中雷达测量时获取目标的方位角信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的用于井中雷达的定向天线系统的结构剖面图；

图2为本发明实施例提供的用于井中雷达的定向天线系统的横截面图；

图3为本发明实施例提供的用于井中雷达的定向天线系统的平铺展开图；

图4为本发明实施例提供的用于井中雷达的定向天线系统的回波损耗图；

图5为本发明实施例提供的用于井中雷达的定向天线系统的辐射方向图。

附图标记：

1——天线单元、1-1——天线单元馈电点，2——玻璃钢管，3——天线保护壳，4——填充液，5——射频开关，6——十字形金属结构，2x——十字形金属结构长度，y——十字形金属结构宽度，l——天线单元长度，w——天线单元宽度，R₁——玻璃钢管内径，R₂——玻璃钢管外径，R₃——天线保护壳外径。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1至图3，本发明实施例提供的用于井中雷达的定向天线系统包括：天线单元1、玻璃钢管2、天线保护壳3、填充液4、射频开关5和十字形金属结构(6)；作为一种优选的方式，本实施例中，射频开关5采用PIN二极管。

其中，填充液4填充在玻璃钢管2内，用以平衡玻璃钢管在测井时受到的外部压力。填充液4采用高相对介电常数(优选取值为60-80的相对介电常数)的液体，以此来降低天线的工作频率，实现天线的小型化；玻璃钢管2采用的是具备较高机械强度，本实施例中，将玻璃钢管2的相对介电常数为3-6之间的玻璃钢材料，其内径为R₁，外经为R₂，且满足32mm≤R₁≤R₂-5≤42.5mm，这样在保证天线系统电性能的同时还具备较强的机械性能以适应井中恶劣环境；多个天线单元1等间隔分布于玻璃钢管2的外侧壁，每个天线单元1与玻璃钢管2的中心轴的间距相同，且天线单元1与玻璃钢管2共形；天线保护壳3需具有较强的耐磨耐腐蚀性能，本实施例中，其相对介电常数设置为3-6之间，外径R₃≤44.5mm；

在天线单元1之间设置金属阵列结构，且金属阵列结构与玻璃钢管2共形，该金属阵列结构包括至少两排沿玻璃钢管2的中心轴方向排列的十字形金属结构6，并且十字形金属结构6之间以及十字形金属结构6与相邻的天线单元1之间通过射频开关相连，通过控制射频开关的导通，使得天线单元接替工作。

作为一种优选的方式，所设置的天线单元1的数量为4个，其分别安装在玻璃钢管2外侧的0°、90°、180°、270°处且与玻璃钢管2共形，天线单元1的宽度w为5-15mm，长度l取f表示定向天线系统的工作频率，ε_eff为天线单元1周围物质的有效介电常数。

参见图3，一种优选的方式是将位于所述金属阵列结构的首尾两端的十字形金属结构6的一个侧面的支出端去除，使其呈横向的“T”字型结构，以使得金属阵列结构的两侧面呈线形。优选的，将与玻璃钢管2共形的十字形金属结构6的长度为2x，宽度为y，二者满足2x≤l/9，y<(2πR₂-4w)/8。PIN二极管用于连接相邻的十字形金属结构6以及十字形金属结构6与其相邻的天线单元1。

例如，对于天线单元1的数量为4个情况，四个天线单元1的结构完全一样，且位置是互易的，天线单元馈电点1-1位于天线单元1中间，每个天线单元1为天线系统的一个单元，在天线系统工作时这四个天线单元1接替接收或发射信号。相邻的十字形金属结构6之间以及十字形金属结构6与相邻的天线单元1之间利用PIN二极管相连，通过控制PIN二极管的通断使得天线单元1接替工作，实现天线系统的波束扫描。如图3所示，例如0°上的天线单元1工作时，安装于0°与90°、270°位置上的天线单元1之间的PIN二极管全部断开，安装于180°与90°、270°天线单元之间的PIN二极管全部导通，使90°、180°、270°位置的天线单元1与它们之间的十字形金属结构6导通行成一个金属反射面，位于0°处的天线单元工作，进而天线系统的主瓣方向为0°，其回波损耗和辐射方向图分别如图4，图5所示。由于四个天线单元1结构一样且位置是互易的，控制天线系统主瓣方向朝90°、180°、270°时，天线系统的回波损耗和辐射方向图形状与图4、图5一致。与此类似的控制PIN二极管使得天线系统主瓣方向朝90°、180°、270°，从而实现天线阵列井周360°的波束扫描。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。