一种传感器天线制造技术

一种传感器天线，包括：天线辐射片，所述天线辐射片为平面等角螺旋天线；垂直设置于所述天线辐射片上的馈电巴伦，所述馈电巴伦位于所述天线辐射片未设置螺旋天线臂的表面上，所述馈电巴伦的介质板的一表面上设置馈电导体，所述馈电导体由一矩形馈电区及与该矩形馈电区相连的三角形馈电区构成，所述馈电导体与天线辐射片上的天线臂电连接，在馈电导体的馈电端口设置与传输线相连的传输线接头。本发明专利技术结构简单，测量误差小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种传感器天线，特别涉及采用电磁波法测量原油含水率时使用到的传感器天线。
技术介绍
电磁波法测量原油含水率的原理为：当被测介质含水率改变时，介质的电常数也改变，最后表现为衰减常数的改变。介质衰减常数的变化将导致传感器天线接收到的信号幅度发生变化，最终表现为两传感器天线(发射天线和接收天线)的传输参数的变化，由此通过测量传感器天线的传输参数来达到测量原油含水率的目的。目前在采用电磁波法测量原油含水率时，一般假设测量天线的辐射效率与被测介质含水率无关，默认传感器天线的传输参数的变化是由被测介质对电磁波信号的衰减引起的。然而在实际的介质含水率测量中，介质含水率不同将导致介电常数和电导率不同，介质介电常数的变化会导致测量天线的反射系数发生变化。图1为1.9GHz天线的反射系数与介质介电常数的关系图，从图1可以看出，即使测试频率保持不变，介质含水率变化时，测量天线的反射系数S11在该测试频点也会跟着发生变化。因此在电磁波法含水率测量中，同一被测介质在不同含水率时测量天线的反射系数会发生变化，反射系数变化衰减系数测量绝对误差也将发生变化，最终导致测量误差难以确定，而且当反射系数很大时，测量误差会过大，导致测量结果不可信。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种测量精度高的传感器天线，该天线可应用于石油化学工业中原油含水率或其它介质含水率的测量。为了实现上述目的，本专利技术采取如下的技术解决方案：一种传感器天线，包括：天线辐射片，所述天线辐射片为平面等角螺旋天线；垂直设置于所述天线辐射片上的馈电巴伦，所述馈电巴伦位于所述天线辐射片未设置螺旋天线臂的表面上，所述馈电巴伦的介质板的一表面上设置馈电导体，所述馈电导体由一矩形馈电区及与该矩形馈电区相连的三角形馈电区构成，所述馈电导体与天线辐射片上的天线臂电连接，在馈电导体的馈电端口设置与传输线相连的传输线接头。进一步的，所述天线辐射片的辐射片介质基板为圆形，辐射片介质基板的一表面上设置一对螺旋天线臂，螺旋天线臂按照以下方程计算得到：其中，r0为螺旋线的开端点到原点o的距离，1/a为螺旋率，为螺旋的角度、为螺旋的起始角。进一步的，所述辐射片介质基板为直径为40mm的圆形，平面等角螺旋天线的r0＝1mm，a＝0.24，的变化范围为0～4.4π，令和通过计算得到一螺旋天线臂的两条螺旋线，将该螺旋天线臂转180°得到另外一条臂。进一步的，所述馈电巴伦的介质板的大小为22mm×45mm，矩形馈电区的长W＝22mm，宽L1＝8mm，三角形馈电区的高L2＝30mm，馈电导体通过宽为1mm的微带线与天线辐射片上的天线臂相连。由以上技术方案可知，本专利技术采用带有垂直巴伦结构的螺旋极化宽带天线，巴伦结构过平面等角螺旋天线中心，并垂直设置于平面等角螺旋天线的辐射背面，该天线结构可以满足被测介质在不同含水率时反射系数≤-10dB，从而减小测量误差，提高测量结果的可靠性。附图说明图1为1.9GHz天线的反射系数与介质介电常数的关系图；图2为衰减系数测量误差与测量天线的反射系数之间的关系图；图3为不同频率的电磁波在水中和油中的传输系数曲线图；图4为天线加巴伦结构的反射系数随频率变化的关系图；图5为天线不加巴伦结构的反射系数随频率变化的关系图；图6为本专利技术实施例天线的结构示意图；图7为宽带天线辐射片的结构示意图；图8为宽带天线馈电巴伦的结构示意图；图9为实施例天线仿真的回波损耗图；图10为实施例天线仿真的驻波比图；图11为实施例天线的输入阻抗图；图12为实施例天线3.88GHz时三维立体增益方向图；图13为实施例天线3.88GHz时yoz面方向图；图14为实施例天线3.88GHz时xoz面方向图；图15为实施例天线在yoz面的左、右旋圆极化波增益和总增益方向图；图16为实施例天线的实测回波损耗图；图17为实施例天线的实测驻波比图；图18为实施例天线的实测输入阻抗分布圆图；图19为实施例验证装置示意图；图20为天线反射系数随油含水率的变化实验曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细描述，在详述本专利技术实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本专利技术保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。专利技术人研究发现，由于衰减系数测量误差与测量天线的反射系数相关，通过控制测量天线的反射系数在一定的范围内可以减小衰减系数测量误差。图2为衰减系数测量误差与测量天线的反射系数之间的关系图。从图2可以看出，当天线的反射系数S11大于-10dB时，衰减系数测量误差大于1dB，随着天线反射系数变大，天线给介质衰减特性测量带来的误差也变大；而当天线的反射系数小于-10dB时，衰减系数测量误差小于1dB，天线的反射系数越小，其对介质的衰减损耗测量的影响越小。在测量不同介质的衰减损耗时，天线在不同含水率的被测介质中如果能够满足反射系数≤-10dB，那么衰减系数测量绝对误差将小于1dB，测量数据的可靠性会提高，误差会减小。为了设计一种应用于电磁波法测量原油含水率的传感器天线，该天线可以实现被测介质在不同含水率的情况下满足反射系数≤-10dB，本专利技术的基本思路如下：确定传感器天线的中心频率，由于介质的相对介电常数和介质损耗正切角随电磁波频率的增大而增大，所以当频率增大时，介质的衰减系数也将增大。当频率增大到一定程度时，电磁波在水和油中的衰减区分度不大，测量原油含水率的灵敏度将会降低。为了提高测量灵敏度，要找到一个电磁波在油水中衰减区分度最高的频点。图3为不同频率的电磁波在水中和油中的传输系数曲线图。从图3可以看出，电磁波在纯油中或者纯水中的传输系数都随着频率的增大先减小后趋于平稳，当电磁波频率大于5GHz时，水和油的传输系数区分度减小，甚至交叉重合，电磁波频率为3.8GHz时，电磁波在水中和油中的衰减损耗差值最大，即电磁波在油水中衰减区分度最高的频点为3.8GHz，该频点对油水的区分度最好。因此，传感器天线中心频率的最小频点在3.8GHz附近最理想，本专利技术将传感器天线的谐振频率设为3.8GHz。经过实际应用，专利技术人还发现，为了有效的接收电磁波，要求天线的(最大)辐射方向与天线垂直。平面等角螺旋天线的辐射方向是双定向边射式，电磁波传播的能量主要集中在两天线(发射天线/接收天线)的连线方向，其他位置的电场强度相对两天线的连线方向都较弱，因此平面等角螺旋天线满足边射条件，即天线的最大辐射方向与天线垂直，同时它也满足宽带的要求，所以进一步采用平面等角螺旋天线作为测量原油含水率的传感器天线。本专利技术的平面等角螺旋天线的螺旋天线臂按照以下方程计算得到：其中，r0为螺旋线的开端点到原点o的距离，1/a为螺旋率，为螺旋的角度，为螺旋的起始角，a是一个与无关的常数，r为螺旋线上任一点到原点o(圆心)的距离。实际应用中要求天线的尺寸不大于40mm，本实施例中r0＝1mm，a＝0.24，角的变化范围为0～4.4π，取和时通过上式即可得到一条螺旋天线臂的两条螺旋线，将该螺旋天线臂转180°即得到另外一条天线臂。由于平面等角螺旋天线具有平衡对称结构，需要平衡馈电，同轴线是超宽带馈电线，但是其馈电的电流为非平衡式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器天线，其特征在于，包括：天线辐射片，所述天线辐射片为平面等角螺旋天线；垂直设置于所述天线辐射片上的馈电巴伦，所述馈电巴伦位于所述天线辐射片未设置螺旋天线臂的表面上，所述馈电巴伦的介质板的一表面上设置馈电导体，所述馈电导体由一矩形馈电区及与该矩形馈电区相连的三角形馈电区构成，所述馈电导体与天线辐射片上的天线臂电连接，在馈电导体的馈电端口设置与传输线相连的传输线接头。

【技术特征摘要】
1.一种传感器天线，其特征在于，包括：天线辐射片，所述天线辐射片为平面等角螺旋天线；垂直设置于所述天线辐射片上的馈电巴伦，所述馈电巴伦位于所述天线辐射片未设置螺旋天线臂的表面上，所述馈电巴伦的介质板的一表面上设置馈电导体，所述馈电导体由一矩形馈电区及与该矩形馈电区相连的三角形馈电区构成，所述馈电导体与天线辐射片上的天线臂电连接，在馈电导体的馈电端口设置与传输线相连的传输线接头。2.根据权利要求1所述的传感器天线，其特征在于：所述天线辐射片的辐射片介质基板为圆形，辐射片介质基板的一表面上设置一对螺旋天线臂，螺旋天线臂按照以下方程计算得到：其中，r0...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宏福，杨志忠，黄芬，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61