一种反对称Vivaldi探地雷达天线制造技术

本发明专利技术涉及一种反对称Vivaldi探地雷达天线，包括双面的印刷电路板和设于印刷电路板上的微带线，所述印刷电路板的上下两表面上分别蚀刻一个肺叶形状的天线极子，两个天线极子对称设置，天线极子的边界包括依次连接的直线、第一指数渐变曲线、半椭圆曲线和第二指数渐变曲线，由直线和第二指数渐变曲线构成的天线极子的端部连接微带线构成封闭回路，具有450MHz、470MHz或500MHz的中心频率。与现有技术相比，本发明专利技术具有超宽带、天线增益高等优点，能满足探测距离和分辨率的要求，适用于盾构隧道无损检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地面雷达天线的设计领域，尤其是涉及一种反对称Vivaldi探地雷达 天线。
技术介绍
近年来，对城市功能的深入开发已逐步转为对地下空间进行大规模、深层次的开 发与利用，大力发展城市地下空间和轨道交通系统是我国解决"城市病"的最有效途径。盾 构法是利用盾构机具在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。随着大量盾构隧道的建成及投 入运营，受施工条件、施工质量、地质条件、保护区施工以及其他因素等影响，盾构隧道出现 了一些程度上的结构病害，如何控制日益增多的隧道病害并采取相应的措施确保运营安全 已引起设计及运营管理部门的极大关注。在盾构隧道的病害中，结构渗漏水是最普遍病害 类型之一。由于地质条件、施工水平等因素，有些盾构隧道在施工结束后就出现严重的渗漏 水现象。渗漏水有时也伴随着漏泥漏砂，引起隧道外部地层的流失，造成隧道结构受力的不 均衡，加剧了隧道结构的沉降和变形。均匀密实的壁后注浆层，作为盾构隧道的第一道防水 战线，可以阻止地下水对隧道衬砌结构的侵蚀和渗透，大大减少盾构隧道的渗漏水病害。同 时，壁后注浆层一方面填充了隧道衬砌结构与地层的施工间隙，减少地面沉降；另一方面， 在隧道稳定初期，注浆层在地层压力的挤压下，完整密实地包围了整个隧道衬砌结构，有助 于加强隧道衬砌结构的整体受力性能，同时也能使地层和衬砌结构整体协调受力。 在盾构隧道施工结束后或者在其运营中，若能及时对隧道壁后注浆质量进行探 测，对注浆层不均匀、不密实，注浆层背后空洞的地段及时给予二次注浆，则可以有效减小 地面的长期沉降和隧道结构的渗漏水病害。近年来，探地雷达技术以其快速、无损、高精度 的优势，越来越多地应用到盾构隧道壁后注浆层的结构探测中。探地雷达天线是步进频率 探地雷达系统的核心部分之一，天线应具有超宽带特性，保证信号源较宽频带内的信号能 耦合到地下介质中去，以获得对地下介质较高的分辨率。另外，时域脉冲探地雷达多采用介 质耦合天线，如蝶形天线等。在雷达探测时，如果天线与地下结构之间有间隙不能紧贴，天 线性能会随着间隙的增大而降低。 Vivaldi天线是一种槽线超宽带天线，它是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成 的，槽线呈指数规律变化，将介质板上的槽线宽度逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接 收的电磁波。这种天线是一种高增益、线极化天线。从理论上讲，它有很宽的频带，可以做 成随频率变化具有恒定增益的天线。 现有的商业化孔中探地雷达多用于地质勘探、矿藏能源探察等领域，采用较低频 的，如40MHz、100MHz、200MHz等。此类产品由于天线尺寸较大，频率较低，分辨率不足，且不 具备步进频率探地雷达超带宽的要求，无法直接应用于盾构隧道壁后注浆无损检测领域。 因此，亟待开发出一种适用于盾构隧道壁后注浆检测的反对称Vivaldi探地雷达天线。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于盾构隧 道壁后注浆检测的新型反对称Vivaldi探地雷达天线，可在中心频率500MHz左右工作， 能满足探测距离和分辨率的要求，且天线在中心频率附近较宽的频率范围内，回波损耗小 于- 1〇dB，具有较高的增益以增加探测距离，因为其为空气耦合天线，且尺寸大小适中，能较 好的适应盾构隧道无损检测。 本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现： -种反对称Vivaldi探地雷达天线，包括双面的印刷电路板和设于印刷电路板上 的微带线，所述印刷电路板的上下两表面上分别蚀刻一个肺叶形状的天线极子，两个天线 极子对称设置，天线极子的边界包括依次连接的直线、第一指数渐变曲线、半椭圆曲线和第 二指数渐变曲线，由直线和第二指数渐变曲线构成的天线极子的端部连接微带线构成封闭 回路。 所述微带线的长度为10mm，宽度为2. 83mm，所述直线的长度为40mm，所述第一指 数渐变曲线满足方程：.V= 〇.〇〇97一_-0.0097，R1为第一指数渐变曲线的开口半径，Ri取值 为25mm，所述第二指数渐变曲线满足方程：_y= 2.22e~ -3.85，R2为第二指数渐变曲线的开 口半径，R2取值为25_，所述半椭圆曲线的长半轴半径为95_。 所述半椭圆曲线的短半轴半径Re为65mm，天线极子对应的中心频率为450MHz。 所述半椭圆曲线的短半轴半径Re为50mm，天线极子对应的中心频率为470MHz。 所述半椭圆曲线的短半轴半径Re为35mm，天线极子对应的中心频率为500MHz。 所述印刷电路板为两面贴有金属导电层的介质基板，所述天线极子内部区域为金 属导电层，外部区域为介质基板。 所述金属导电层为铜箔。 所述印刷电路板的尺寸为323mmX301mmXI. 6mm。 所述由直线和第二指数渐变曲线构成的天线极子的端部通过SM接头连接微带 线。 与现有技术相比，本专利技术具有以下优点： 1)本专利技术天线在中心频率500MHz左右工作，能满足探测距离和分辨率的要求。 根据盾构隧道管片厚度和注浆检测的分辨率，要求电磁波在围护结构内部既能穿透一定距 离，又能分辨出壁后注浆的分布情况。根据工程实践，天线需要中心频率在500MHz左右有 较好的工作性能。本专利技术设计了肺叶形状的两个极子，一个极子设置在上表面，另一个设 置在下表面，形成反对称结构，其中Re取值为65mm、50mm或35mm，对应地可以产生450MHz、 470MHz或500MHz的中心频率。 2)本专利技术天线具有超带宽特性。对于步进频率探地雷达系统，要求天线具有 超带宽的特性，即回波损耗在-IOdB以下的频率较宽。在400MHZ-3.OGHz的频域内，除 700MHz-900MHz频率区间，Sll在-7dB以下，其余均在-IOdB以下。按照Sll处于-IOdB以 下部分即可作为雷达天线工作频率来看，天线工作带宽为3000-400 = 2600MHz，因此天线 的间断相对带宽为2600/500*100%= 520%。 3)本专利技术天线具有较高的天线增益。Vivaldi天线本身具有的肺叶形结构使得本 天线具有较好的方向性，加之天下结构优化后的低回波损耗使得天线具有较高的增益。高 增益使天线的输入功率能够集中辐射到所需探测的范围内，能够有效增加探地雷达的探测 深度，可更加有效的检测管片壁后注浆效果。 4)本专利技术天线的耦合特性适合盾构隧道的检测环境。在探地雷达系统中应用较多 的超宽带天线主要有两大类：介质耦合天线和空气耦合天线，介质耦合天线的信号能量主 要是通过近场耦合传入地下，雷达的探测性能随天线高度的升高而降低，相反，空气耦合天 线允许天线与地下介质有一定的间隙，不会明显地改变雷达的探测性能。为适应盾构隧道 的检测环境，本专利技术的天线为空气耦合天线。【附图说明】 图1为本专利技术结构的俯视图；<当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反对称Vivaldi探地雷达天线，其特征在于，包括双面的印刷电路板和设于印刷电路板上的微带线，所述印刷电路板的上下两表面上分别蚀刻一个肺叶形状的天线极子，两个天线极子对称设置，天线极子的边界包括依次连接的直线、第一指数渐变曲线、半椭圆曲线和第二指数渐变曲线，由直线和第二指数渐变曲线构成的天线极子的端部连接微带线构成封闭回路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢雄耀，王志高，洪概，覃辉，曾昆，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31