[发明专利]一种应用于煤矿孔中探测的太赫兹天线

说明书

技术领域

本发明属于天线设计领域，具体讲是一种应用于煤矿孔中探测的太赫兹天线的设计。

背景技术

近年来，我国煤矿生产安全事故时常发生，引起了社会的广泛关注，其中矿井水害已成为制约煤矿安全生产的重大隐患。“老窑和采空区积水”突水占水害事故的绝大部分，这多由矿井表面微小裂隙引起，因此能够有效检测矿井孔中裂缝是防止矿井水害的关键。

目前的矿井探测系统采用的直流电法、瞬变电磁、音频电透等电测方法所用的仪器探测精度不够，而地震方法探测的深度不够，又由于仪器体积、施工方式等因素的限制，均难以实现在煤矿钻孔中进行探测。

由于煤矿孔中缝隙尺寸微小，一般雷达成像技术难以达到检测缝隙所需的高分辨率，而太赫兹成像技术具有图像分辨率高的优越性。此外，一般微波天线若要实现高增益、高分辨率需要较大的尺寸，而太赫兹天线在实现高分辨率成像的同时尺寸很小，可以放置在煤矿打孔钻杆内，随着钻杆进入孔中进行探测，没有探测距离的限制，并实现了精确探测和孔中探测。

目前可有效工作在太赫兹频段的天线类型不多，微带线以及贴片天线阵列等平面天线在高频时损耗过高，效率低；波导缝隙天线阵列具有功率容量大、增益高、窄波束等优点，但在高频时相对带宽窄，加工精度要求高，且不易与探测系统共形；近年来提出的新型基片集成波导（SIW）受限于在高频段开孔困难和介质材料损耗大等缺点；而反射面天线具有增益高、频段宽、低损耗的优良特性，但一般形式的单反射面天线纵向尺寸较大，煤矿钻杆内部可利用空间不足以容纳，而纵向尺寸小的双反射面天线副镜要求最低大于4个工作波长，副镜-主镜口径比约0.1，从而推算出主镜要求最低大于40个工作波长，在太赫兹低频段下所需的主镜口径大于钻杆空间，不能够放置于钻杆内工作。

发明内容

本发明技术解决问题：为了克服现有的探测技术精度不够、深度不够、不能孔中探测以及以上所述天线高频损耗大或与钻杆不兼容等缺陷，提供一种体积小、结构紧凑、易与煤矿钻杆结合的低损耗、宽频带的应用于煤矿孔中探测的太赫兹天线，该天线具有高增益、极窄波束的特性，可应用于具有高分辨率成像特性的太赫兹成像系统中，作为电磁信号的发射和接收前端。天线工作在太赫兹波段的低频段（300GHz以下），可放置于目前普遍使用的标准煤矿钻杆内进行煤矿孔中探测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案和步骤如下：

（1）首先确定天线中心工作频率（300GHz以下）对应的工作波长λ和天线半功率波束宽度θ_3dB，然后根据抛物面天线口径公式求出抛物面口径D₁=kλ/(2θ_3dBη)（k=65°～80°，为馈源的照射锥削，η=40%～60%，为天线辐射效率），并求出抛物面的焦距f₁=(D₁/4)cot(k/2)。

（2）根据步骤（1）所求得的抛物面口径D₁和焦距f₁，选取合适的标准煤矿钻杆用于安置太赫兹天线，设标准钻杆外径d₁/2mm、内径d₂/2mm，在保留通水孔安全壁厚Δtmm的条件下，移动钻杆通水孔使其偏离钻杆中心(d₁/2-d₂/2-Δt)mm，则在远离通水孔的一侧（径向长度2（d₁/2-d₂/2-Δt)mm）为天线设计提供足够空间。