[发明专利]一种应用于煤矿孔中探测的太赫兹天线

摘要

一种应用于煤矿孔中探测的太赫兹天线，属于天线设计领域,它装置于煤矿钻杆上，采用多层共焦点、焦距相差nλ/2（λ为中心工作频率所对应的波长,n为整数）的抛物面作为反射面，采用开口圆波导作为馈源，并后接矩-圆过渡波导、90°H面弯波导和标准法兰盘，以及使用玻璃钢材料的天线罩作为防护。本发明具有高增益、极窄波束的性质，可实现高分辨率成像。整个天线系统体积小，结构紧凑，可作为太赫兹探测系统的前端天线，集成到钻杆内深入钻孔中进行探测工作，精确检测煤矿孔中的微小裂隙或其他物质，有效预防由于裂隙等因素引起的突水事故，保障煤矿的生产安全。

主权项

一种应用于煤矿孔中探测的太赫兹天线，安装于煤矿钻杆上，包括反射面、馈源和天线罩，其特征在于所述天线的制作步骤如下：（1）首先确定天线中心工作频率即300GHz以下对应的工作波长λ和天线半功率波束宽度θ3dB，然后根据抛物面天线口径公式求出抛物面口径D1=kλ/(2θ3dBη)，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装和设计太赫兹天线，设标准钻杆外径d1、内径d2，在保留通水孔安全壁厚Δt的条件下，移动钻杆通水孔使其偏离钻杆中心(d1/2‑d2/2‑Δt)，则在远离通水孔的一侧得到径向长度2(d1/2‑d2/2‑Δt)的空间用于天线设计；（3）在步骤（2）所述的远离通水孔的一侧加工出天线的反射面部分，天线的反射面由多层抛物面组成，编号为N1、N2、·、Nn，n为自然数，所有抛物面的焦点重合，焦距依次相差n1λ/2、n2λ/2、·、nn‑1λ/2，n1、n2、·nn‑1都是自然数；取步骤（1）所求得的抛物面口径D1和焦距f1为N1层抛物面的参数，则N2层抛物面焦距f2=f1‑n1λ/2，以此类推，第Nn层抛物面焦距fn=fn‑1‑nn‑1λ/2；排序最后的抛物面Nend的顶点落在距离通水孔内壁壁厚Δt的位置上，即位于距离钻杆表面2(d1/2‑d2/2‑Δt)处，则整个反射面的共焦点位于距离钻 杆表面（2(d1/2‑d2/2‑Δt)‑fend）处，fend是抛物面Nend的焦距，其他抛物面的顶点后移并在顶点周围与通水孔交叠，去除交叠部分，使得每层抛物面与通水孔表面嵌合，整个反射面后端逐层呈凹陷结构；（4）根据步骤（1）所述的照射锥削k，确定与k对应的馈源波束宽度θk=2k；馈源采用开口圆波导作为辐射端，并依次由矩‑圆过渡波导、90°矩形H面弯波导和标准法兰盘组成，馈源的结构参数包括：开口圆波导的口径D馈源和长度l1、矩‑圆过渡波导的长度l2以及弯波导的弯曲半径R；馈源的矩形波导段包括弯波导根据天线的工作频率选取标准波导型号，使用有限元仿真优化D馈源、l1、l2和R使馈源照射锥削满足θk且驻波VSWR尽可能小即1.4以下；馈源与步骤（3）所述抛物面通过对称前馈方式组合，馈源的相位中心放置于抛物面的共焦点上，通过后端法兰盘固定；（5）在步骤（2）所述的远离通水孔一侧的钻杆外表面加工凹槽，用于安装天线罩，对整个太赫兹天线进行防护。