用於探地雷達的天線系統的製作方法
2023-08-03 20:51:11 2
本發明包括用於探地雷達的天線系統，其中所發射的電磁波主要向下輻射到地中。
背景技術：
探地雷達是將電磁波(無線電波)向下發射到地中並測量來自地下的物體或地層的反射的一種類型的雷達。用於這種類型雷達的天線應確保所發射的信號以儘可能最佳的方式向下穿透到地中。因此，天線應放置到地面上或接近地面放置。為了在探地雷達的發射器與接收器之間獲得足夠的隔離度，通常會採用以並排方式安裝的分隔的發射器和接收器天線。
所謂的「蝴蝶結」天線已在需要寬帶寬的諸多應用中使用。關於這種天線的最權威性的文章由G.H.Brown和O.M.Woodward在1952年12月發表於RCA Review第425-452頁。此後還發表了與這種類型的天線的變型相關的很多文章。對於探地雷達而言，通常使用的是蝴蝶結偶極子，但是這些天線需要所謂的換衡(balun)(平衡-不平衡)轉換器來進行令人滿意的操作。在2000年，E.S.Eide在IEE Transactions on Microwave,Antennas and Propagation第147卷第3號發表了一篇文章，描述了包括安裝在V形接地面(ground plane)底側上的一對蝴蝶結單極子的新的天線系統。由於該天線系統包括單極子而不是偶極子，因此天線不再依靠適於天線的換衡。然而接地面的形狀要求使用相對大量的雷達吸收材料(吸收劑)來填充在接地面與天線元件之間的空間。天線的研發獲得了專利，即挪威專利號316,658、歐洲專利號1,558,946以及美國專利號7,170,449。在此，發射器和接收器天線安裝在通過鉸鏈連接的共用的接地面上，使其可能將天線之間的角度α調整到最優值。然而，該結構的缺陷是從發射器天線發射的雷達信號的一部分會在其進入地面之前由與發射器天線正好相對定位的 接收器天線反射。因此產生不希望的雙脈衝，這降低了雷達辨別靠近彼此的物體的能力。此外，從地面本身向上反射的雷達波將在天線結構中再次反射，這是由於相連接的接地面構成所謂的角形反射器。所反射的信號將再次進入地面並產生所謂的多重信號，其導致劣化雷達圖像。該結構的第三個缺陷是其產生從發射器天線到接收器天線的強直達波，因為發射器天線與接收器天線正好彼此相對。
天線的進一步研發的版本由專利申請WO 2013/051945A1描述，其中所述天線裝置布置成形成V形楔形件，其具有向下朝向地面引導的點，以及適於同軸電纜連接到發射器和接收器的連接點(饋送點)定位成與V形楔形件的點相距最遠。此外，接地面沒有電連接到彼此。這種天線結構相比於挪威專利號316,658的結構導致信號質量的顯著改善。
對於迄今所描述的結構而言的共同特徵是它們不能向下朝向地面平放，並因此可將能量向下直接連接到地面。其缺陷是無線電波在從空氣到地面的轉移中遭受顯著損失，其原因在於在該邊界界面處產生的反射。此外，由於關於空氣和地面的波速上的差異，波將受到反射(折彎)。這使得在數據處理中使用所謂的地震偏移技術的情況下後續圖像更難於聚焦。
技術實現要素：
現在，天線被進一步研發成根據本發明的新的天線系統，其相對於上面所提及的天線系統是新穎的且是改進的解決方案。
本發明的一個目的是產生一種天線，其與現有天線系統相比賦予對於向下進入到地面內的能量而言的更好連接的無線信號。此外本發明的一個目的是減少來自天線結構的多重反射，以使雷達信號具有更少的迴響。本發明導致顯著更少的迴響以及向下進入到地面的雷達信號的增加的穿透深度，並且這使得可能檢測在地面下的更深物體。天線被構造成抵靠地面鋪設，並且這減少了從空氣到地面的信號路徑。這導致雷達數據更適於通過所謂的地震偏移技術進行數據分析。
根據本發明的天線系統的特性特徵在獨立權利要求1中示出。附加特徵由從屬權利要求給出。
根據本發明的第一實施例是用於探地雷達的天線系統，其包括兩個板狀天線裝置，其中兩個天線裝置分別包括至少一個發射器天線和至少一個接收器天線。每個天線裝置中的天線包括單極子，所述單極子通過將金屬表面應用到電絕緣板基上而形成，其布置於無線電吸收材料層的下側上。材料層的頂側由金屬接地面覆蓋。天線裝置布置成抵靠地面向下鋪設。無線電吸收材料層布置在所述接地面的頂側上，並且各接地面並不電連接。
在接地面頂側上的無線電吸收材料可有利地覆蓋位於天線饋送點中的電纜連接器旁邊的所述區域。
用於發射器天線和接收器天線的天線裝置可有利地一起構成扁平結構，其中所述天線裝置以如此的方式取向以至於天線饋送點緊密靠近天線的對稱軸線。
天線可大致是V形的，而雷達吸收材料可包括一個或多個電阻層。
天線的終點可通過電阻器和墊片被連接到接地面。板基可以是層壓體，特別是電路板層壓體，其優選包括玻璃纖維基材，。
將發射器天線和接收器天線的饋送點分別與雷達發射器和雷達接收器連接的同軸電纜可具有安裝在其上的、在同軸電纜的屏蔽層外側上的鐵氧體材料的套筒。
包括一個或多個發射器天線和一組接收器天線的天線系統可包括兩個或多個接收器天線，其形成沿著兩個天線裝置之間的對稱軸線分布的成直線排的天線。
天線系統可包括兩組接收器天線，每一組包括一個或多個接收天線，其中所述組之一形成接收天線的額外排，其位於普通接收天線排的相對側上。
每組中的接收天線的數量可以比發射器天線的數量更多，並且每個發射器天線可根據接收天線沿著對稱軸線布置成錯開天線距離的一半。
附圖說明
現在將參照附圖對本發明進行解釋，其中：
圖1公開從側面看到的圖1所示天線系統的橫截面視圖。
圖2公開從底面觀察的根據本發明的天線系統的實施例。
圖3公開從底面觀察的根據本發明的天線系統的實施例，其中多個發射器天線和多個接收天線沿著天線系統的對稱軸線分布。
圖4公開從底面觀察的根據本發明的天線系統的實施例，其中接收天線的額外排已添加放置在發射器天線排的相對側上。
具體實施方式
圖1公開了包括如下所述的分別用於發射和接收的兩個天線裝置的天線系統。發射天線和接收天線(1，2)包括由導電材料位於電絕緣板基(3)而構成的單極子，其例如可以是FR-4型的1.55mm厚的電路板層壓體。單極子例如可以是三角形或V形的，用於與饋送點(6)的最佳阻抗適配。電路板層壓體(3)放置在阻尼無線電波的材料(4)(無線電吸收材料)的板狀層的下側上。該材料可以是包括薄電阻層的材料，或者它可以是雷達吸收劑。該吸收劑層被放置在位於後面並包括金屬的接地面(5)上。用於發射和接收的天線(1，2)以相同的方式構成。天線中的每一個均藉助於同軸電纜通過位於饋送點(6)處的電纜連接器饋送，其中同軸電纜的中心線連接到天線(1，2)，並且屏蔽層連接到接地面(5)。在下文中被稱為終點的天線的外部邊緣通過電阻器(7)來連接到接地面，所述電阻器(7)例如為50歐姆，例如連接到安裝在接地面(5)上的金屬墊片(8)。墊片(8)有助於將電路板層壓體(3)機械附接到接地面(5)。接地面的兩個部分在該示例中安裝到玻璃纖維結構(9)的內部，這確保它們不電連接到彼此。天線裝置以如此的方式布置以至於天線面板可抵靠地面(10)平放。本發明的基本特徵在於接地面也由在頂側上的吸收材料(4)覆蓋以便抑制在接地面(5)頂側上的不希望的電流，所述電流可導致地面上方的輻射。特別重要的是，在適於饋送點(6)的連接器旁邊區域內的接地面由吸收材料(4)覆蓋以便避免所謂的迴響(多重反射)信號洩漏到接地面(5)的頂側上。作為形式的問題，我們提及的是，表述頂側和底側分別涉及當系統布置成相對於地面以例如圖1中例示的方式正常使用時天線系統的背離面向地面的一側以及面向地面的一側。
本發明的另一個特徵是，將天線的饋送點(6)分別與雷達發射器和雷達接收器連接的所有同軸電纜具有安裝在其上的鐵氧體套筒(11)，其位於同軸電纜的屏蔽層的外側上，以便避免高頻電流沿著屏蔽層的外側流動到電纜，並且因此導致不希望的輻射。鐵氧體的另一個效果是在高頻下的同軸電纜的電屏蔽層將不會形成在適於發射器天線(1)和接收器天線(2)的接地面(5)之間的有效電連接。
圖2公開了從底面看的天線系統的實施例，其中發射器天線和接收器天線(1，2)是V形的，其中電阻器(7)連接到金屬墊片(8)，金屬墊片(8)連接到接地面(5)，其中所述墊片(8)被放置在與饋送點(6)相距最遠定位的終點。
由圖3公開根據本發明的天線系統的另一實施例。該圖示出線形天線系統，其包括沿著天線系統的對稱軸線(13)分布的多個發射器天線(1)和多個接收器天線(2)。
由圖4公開根據本發明的天線系統的另一實施例。在該圖中已經增加了位於發射器天線(1)的排的相對側上的接收器天線(12)的額外排。這種布置使得有可能在兩排接收器天線(2，12)上接收來自發射器天線(1)的信號，其中天線的饋送點(6)之間的距離(偏移距離)具有不同的值。所謂的多偏移布置使能地中的無線電波的波速的估計以及在不同的偏移距離處的無線電波的波速的估計，以及因此不同的入射角，其有利於以便突出地面內的不同對象和分層。