本發(fā)明涉及一種傳感器天線，特別涉及采用電磁波法測(cè)量原油含水率時(shí)使用到的傳感器天線。

背景技術(shù)：

電磁波法測(cè)量原油含水率的原理為：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)含水率改變時(shí)，介質(zhì)的電常數(shù)也改變，最后表現(xiàn)為衰減常數(shù)的改變。介質(zhì)衰減常數(shù)的變化將導(dǎo)致傳感器天線接收到的信號(hào)幅度發(fā)生變化，最終表現(xiàn)為兩傳感器天線(發(fā)射天線和接收天線)的傳輸參數(shù)的變化，由此通過測(cè)量傳感器天線的傳輸參數(shù)來達(dá)到測(cè)量原油含水率的目的。

目前在采用電磁波法測(cè)量原油含水率時(shí)，一般假設(shè)測(cè)量天線的輻射效率與被測(cè)介質(zhì)含水率無關(guān)，默認(rèn)傳感器天線的傳輸參數(shù)的變化是由被測(cè)介質(zhì)對(duì)電磁波信號(hào)的衰減引起的。然而在實(shí)際的介質(zhì)含水率測(cè)量中，介質(zhì)含水率不同將導(dǎo)致介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同，介質(zhì)介電常數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量天線的反射系數(shù)發(fā)生變化。圖1為1.9GHz天線的反射系數(shù)與介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系圖，從圖1可以看出，即使測(cè)試頻率保持不變，介質(zhì)含水率變化時(shí)，測(cè)量天線的反射系數(shù)S₁₁在該測(cè)試頻點(diǎn)也會(huì)跟著發(fā)生變化。因此在電磁波法含水率測(cè)量中，同一被測(cè)介質(zhì)在不同含水率時(shí)測(cè)量天線的反射系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，反射系數(shù)變化衰減系數(shù)測(cè)量絕對(duì)誤差也將發(fā)生變化，最終導(dǎo)致測(cè)量誤差難以確定，而且當(dāng)反射系數(shù)很大時(shí)，測(cè)量誤差會(huì)過大，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不可信。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量精度高的傳感器天線，該天線可應(yīng)用于石油化學(xué)工業(yè)中原油含水率或其它介質(zhì)含水率的測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：

一種傳感器天線，包括：天線輻射片，所述天線輻射片為平面等角螺旋天線；垂直設(shè)置于所述天線輻射片上的饋電巴倫，所述饋電巴倫位于所述天線輻射片未設(shè)置螺旋天線臂的表面上，所述饋電巴倫的介質(zhì)板的一表面上設(shè)置饋電導(dǎo)體，所述饋電導(dǎo)體由一矩形饋電區(qū)及與該矩形饋電區(qū)相連的三角形饋電區(qū)構(gòu)成，所述饋電導(dǎo)體與天線輻射片上的天線臂電連接，在饋電導(dǎo)體的饋電端口設(shè)置與傳輸線相連的傳輸線接頭。

進(jìn)一步的，所述天線輻射片的輻射片介質(zhì)基板為圓形，輻射片介質(zhì)基板的一表面上設(shè)置一對(duì)螺旋天線臂，螺旋天線臂按照以下方程計(jì)算得到：

其中，r₀為螺旋線的開端點(diǎn)到原點(diǎn)o的距離，1/a為螺旋率，為螺旋的角度、為螺旋的起始角。

進(jìn)一步的，所述輻射片介質(zhì)基板為直徑為40mm的圓形，平面等角螺旋天線的r₀＝1mm，a＝0.24，的變化范圍為0～4.4π，令和通過計(jì)算得到一螺旋天線臂的兩條螺旋線，將該螺旋天線臂轉(zhuǎn)180°得到另外一條臂。

進(jìn)一步的，所述饋電巴倫的介質(zhì)板的大小為22mm×45mm，矩形饋電區(qū)的長(zhǎng)W＝22mm，寬L1＝8mm，三角形饋電區(qū)的高L2＝30mm，饋電導(dǎo)體通過寬為1mm的微帶線與天線輻射片上的天線臂相連。

由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明采用帶有垂直巴倫結(jié)構(gòu)的螺旋極化寬帶天線，巴倫結(jié)構(gòu)過平面等角螺旋天線中心，并垂直設(shè)置于平面等角螺旋天線的輻射背面，該天線結(jié)構(gòu)可以滿足被測(cè)介質(zhì)在不同含水率時(shí)反射系數(shù)≤-10dB，從而減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。

附圖說明

圖1為1.9GHz天線的反射系數(shù)與介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系圖；

圖2為衰減系數(shù)測(cè)量誤差與測(cè)量天線的反射系數(shù)之間的關(guān)系圖；

圖3為不同頻率的電磁波在水中和油中的傳輸系數(shù)曲線圖；

圖4為天線加巴倫結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)隨頻率變化的關(guān)系圖；

圖5為天線不加巴倫結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)隨頻率變化的關(guān)系圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為寬帶天線輻射片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為寬帶天線饋電巴倫的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為實(shí)施例天線仿真的回波損耗圖；

圖10為實(shí)施例天線仿真的駐波比圖；

圖11為實(shí)施例天線的輸入阻抗圖；

圖12為實(shí)施例天線3.88GHz時(shí)三維立體增益方向圖；

圖13為實(shí)施例天線3.88GHz時(shí)yoz面方向圖；

圖14為實(shí)施例天線3.88GHz時(shí)xoz面方向圖；

圖15為實(shí)施例天線在yoz面的左、右旋圓極化波增益和總增益方向圖；

圖16為實(shí)施例天線的實(shí)測(cè)回波損耗圖；

圖17為實(shí)施例天線的實(shí)測(cè)駐波比圖；

圖18為實(shí)施例天線的實(shí)測(cè)輸入阻抗分布圓圖；

圖19為實(shí)施例驗(yàn)證裝置示意圖；

圖20為天線反射系數(shù)隨油含水率的變化實(shí)驗(yàn)曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的附圖會(huì)不依一般比例做局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。需要說明的是，附圖采用簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、清晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，由于衰減系數(shù)測(cè)量誤差與測(cè)量天線的反射系數(shù)相關(guān)，通過控制測(cè)量天線的反射系數(shù)在一定的范圍內(nèi)可以減小衰減系數(shù)測(cè)量誤差。圖2為衰減系數(shù)測(cè)量誤差與測(cè)量天線的反射系數(shù)之間的關(guān)系圖。從圖2可以看出，當(dāng)天線的反射系數(shù)S₁₁大于-10dB時(shí)，衰減系數(shù)測(cè)量誤差大于1dB，隨著天線反射系數(shù)變大，天線給介質(zhì)衰減特性測(cè)量帶來的誤差也變大；而當(dāng)天線的反射系數(shù)小于-10dB時(shí)，衰減系數(shù)測(cè)量誤差小于1dB，天線的反射系數(shù)越小，其對(duì)介質(zhì)的衰減損耗測(cè)量的影響越小。在測(cè)量不同介質(zhì)的衰減損耗時(shí)，天線在不同含水率的被測(cè)介質(zhì)中如果能夠滿足反射系數(shù)≤-10dB，那么衰減系數(shù)測(cè)量絕對(duì)誤差將小于1dB，測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性會(huì)提高，誤差會(huì)減小。

為了設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于電磁波法測(cè)量原油含水率的傳感器天線，該天線可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)介質(zhì)在不同含水率的情況下滿足反射系數(shù)≤-10dB，本發(fā)明的基本思路如下：

確定傳感器天線的中心頻率，由于介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗正切角隨電磁波頻率的增大而增大，所以當(dāng)頻率增大時(shí)，介質(zhì)的衰減系數(shù)也將增大。當(dāng)頻率增大到一定程度時(shí)，電磁波在水和油中的衰減區(qū)分度不大，測(cè)量原油含水率的靈敏度將會(huì)降低。為了提高測(cè)量靈敏度，要找到一個(gè)電磁波在油水中衰減區(qū)分度最高的頻點(diǎn)。圖3為不同頻率的電磁波在水中和油中的傳輸系數(shù)曲線圖。從圖3可以看出，電磁波在純油中或者純水中的傳輸系數(shù)都隨著頻率的增大先減小后趨于平穩(wěn)，當(dāng)電磁波頻率大于5GHz時(shí)，水和油的傳輸系數(shù)區(qū)分度減小，甚至交叉重合，電磁波頻率為3.8GHz時(shí)，電磁波在水中和油中的衰減損耗差值最大，即電磁波在油水中衰減區(qū)分度最高的頻點(diǎn)為3.8GHz，該頻點(diǎn)對(duì)油水的區(qū)分度最好。因此，傳感器天線中心頻率的最小頻點(diǎn)在3.8GHz附近最理想，本發(fā)明將傳感器天線的諧振頻率設(shè)為3.8GHz。

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，為了有效的接收電磁波，要求天線的(最大)輻射方向與天線垂直。平面等角螺旋天線的輻射方向是雙定向邊射式，電磁波傳播的能量主要集中在兩天線(發(fā)射天線/接收天線)的連線方向，其他位置的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)兩天線的連線方向都較弱，因此平面等角螺旋天線滿足邊射條件，即天線的最大輻射方向與天線垂直，同時(shí)它也滿足寬帶的要求，所以進(jìn)一步采用平面等角螺旋天線作為測(cè)量原油含水率的傳感器天線。

本發(fā)明的平面等角螺旋天線的螺旋天線臂按照以下方程計(jì)算得到：

其中，r₀為螺旋線的開端點(diǎn)到原點(diǎn)o的距離，1/a為螺旋率，為螺旋的角度，為螺旋的起始角，a是一個(gè)與無關(guān)的常數(shù)，r為螺旋線上任一點(diǎn)到原點(diǎn)o(圓心)的距離。

實(shí)際應(yīng)用中要求天線的尺寸不大于40mm，本實(shí)施例中r₀＝1mm，a＝0.24，角的變化范圍為0～4.4π，取和時(shí)通過上式即可得到一條螺旋天線臂的兩條螺旋線，將該螺旋天線臂轉(zhuǎn)180°即得到另外一條天線臂。

由于平面等角螺旋天線具有平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)，需要平衡饋電，同軸線是超寬帶饋電線，但是其饋電的電流為非平衡式，因此本發(fā)明的超寬帶平面螺旋天線通過引入巴倫來實(shí)現(xiàn)平衡電流與不平衡電流之間的轉(zhuǎn)換，將傳感器天線的結(jié)構(gòu)定為帶有巴倫結(jié)構(gòu)的平面等角螺旋天線。

圖4和圖5分別表示天線加巴倫結(jié)構(gòu)和不加巴倫結(jié)構(gòu)時(shí)，平面等角螺旋天線的反射系數(shù)S₁₁隨頻率變化的關(guān)系圖。圖2中天線加巴倫結(jié)構(gòu)時(shí)，頻率在3GHz以上時(shí)，反射系數(shù)S₁₁大部分頻點(diǎn)小于-10dB。圖3中天線不加巴倫結(jié)構(gòu)時(shí)，反射系數(shù)S₁₁只有少數(shù)頻點(diǎn)小于-10dB，說明添加巴倫結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器天線具有優(yōu)化作用。

參照?qǐng)D6、圖7及圖8，本發(fā)明的傳感器天線包括天線輻射片2-1和饋電巴倫2-2。天線輻射片2-1為平面等角螺旋天線，本實(shí)施例的天線輻射片2-1的輻射片介質(zhì)基板2-1a采用環(huán)氧樹脂纖維板制成，輻射片介質(zhì)基板2-1a為圓形，其直徑為40mm，厚度為1mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02。在輻射片介質(zhì)基板2-1a的一表面上設(shè)置一對(duì)螺旋天線臂2-1b。在天線輻射片2-1未設(shè)置螺旋天線臂的表面上設(shè)置饋電巴倫2-2，饋電巴倫2-2與天線輻射片2-1相垂直，饋電巴倫的中心線過天線輻射片的圓心(中心)。本實(shí)施例的饋電巴倫2-2的介質(zhì)板2-2a為矩形，介質(zhì)板2-2a的一表面上設(shè)置饋電導(dǎo)體2-2b，饋電導(dǎo)體2-2b由一矩形饋電區(qū)及與該矩形饋電區(qū)相連的三角形饋電區(qū)構(gòu)成。本實(shí)施例中介質(zhì)板2-2a的大小為22mm×45mm，矩形饋電區(qū)的長(zhǎng)W＝22mm，寬L1＝8mm，三角形饋電區(qū)的高L2＝30mm，饋電導(dǎo)體2-2b通過寬W1為＝1mm的微帶線與天線輻射片2-1上的天線臂相連，在饋電端口處設(shè)置一50Ω的SMA接頭。

在HFSS高頻電磁仿真軟件中對(duì)本實(shí)施例的寬帶天線進(jìn)行仿真，仿真模型中天線的尺寸參數(shù)同上，設(shè)置輻射邊界的直徑為120mm，高為125mm，輻射邊界距離天線40mm。得到的回波損耗圖和駐波比圖分別如圖9和圖10所示。從圖9及圖10可看出，在2.55GHz～10GHz的頻率范圍內(nèi)，帶有垂直巴倫結(jié)構(gòu)的平面等角螺旋天線的反射系數(shù)S₁₁均小于-10dB，VSWR均小于2.0，天線的絕對(duì)帶寬為7.45GHz，天線在3.88GHz時(shí)，反射系數(shù)S₁₁最小，為-43dB。如圖11所示為實(shí)施例天線的輸入阻抗圖，在2.55GHz～10GHz頻率范圍內(nèi)可以看到，天線的輸入電阻在65歐姆左右，輸入電抗在0歐姆左右，輸入阻抗的波動(dòng)較大，但是不會(huì)影響阻抗帶寬。

圖12為本實(shí)施例天線在3.88GHz時(shí)的三維立體增益方向圖，該圖描繪了平面等角螺旋天線輻射特性在空間坐標(biāo)中的變化關(guān)系。由圖12可知，天線的最強(qiáng)輻射出現(xiàn)在Z軸上，滿足了天線為邊射的要求，雖然微帶巴倫與平面螺旋上面連接，但輻射方向圖還是基本對(duì)稱。圖13為極坐標(biāo)系下實(shí)施例天線在3.88GHz時(shí)yoz面方向圖，由圖13可知天線在yoz面呈雙向輻射特性，近似“8”字，其中最強(qiáng)輻射強(qiáng)度為3.79dB，最低輻射強(qiáng)度為-3.59dB。圖14為極坐標(biāo)系下實(shí)施例天線在3.88GHz時(shí)xoz面方向圖，由圖14可知天線在xoz面也呈雙向輻射特性，近似“8”字，其中最強(qiáng)輻射強(qiáng)度為3.79dB，最低輻射強(qiáng)度為-6.59dB。圖15為直角坐標(biāo)系下實(shí)施例天線在yoz面的左、右旋圓極化波增益和總增益方向圖，從圖15可以看出θ在-80°～80°范圍內(nèi)，天線的總增益近似等于右旋圓極化波增益；θ在-180°～100°以及100°～180°范圍內(nèi)，天線的總增益近似等于左旋圓極化波增益，實(shí)施例天線的輻射是圓極化的，在Z軸負(fù)方向?yàn)樽笮?，在Z軸正方向?yàn)橛倚?/p>

采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent Technologies N5230C)對(duì)實(shí)施例天線進(jìn)行測(cè)試。圖16和圖17分別為實(shí)施例天線的實(shí)測(cè)回波損耗圖和駐波比圖，從圖16可知，天線在2.58GHz～10GHz具有良好的頻率響應(yīng)特性，其中，頻率在2.58GHz～7.48GHz和8.26GHz～10GHz時(shí)，實(shí)施例天線的反射系數(shù)S₁₁都小于-10dB；頻率在7.48GHz～8.26GHz內(nèi)，實(shí)施例天線的反射系數(shù)S₁₁接近-10dB，天線的絕對(duì)帶寬為7.42GHz，滿足了寬帶的要求。實(shí)施例天線頻率在4.37GHz時(shí)，反射系數(shù)S₁₁最小，為-20dB。而且實(shí)施例天線頻率在2.58GHz以下時(shí)，反射系數(shù)S₁₁大于-10dB，對(duì)手機(jī)、廣播等產(chǎn)生的干擾信號(hào)有一定的抑制作用。從圖17可以看出，實(shí)施例天線的測(cè)量頻段為2GHz～10GHz，頻率在2.58GHz～7.48GHz和8.26GHz～10GHz內(nèi)，VSWR均小于2.0，頻率在7.48GHz～8.26GHz內(nèi)，VSWR小于2.1。

實(shí)施例天線的輸入阻抗分布圓圖如圖18所示，測(cè)量的頻段為2GHz～10GHz，天線在有效頻帶2.58GHz～10GHz范圍內(nèi)圍繞50歐姆點(diǎn)收縮，說明實(shí)施例天線的輸入阻抗在這個(gè)頻段內(nèi)匹配良好。在天線的高頻段，電抗主要分布在阻抗圓圖的感性區(qū)，如果想要在高頻段達(dá)到阻抗匹配，可以合理增加天線的容抗，與此同時(shí)，還應(yīng)留意天線實(shí)部變化，從而可以在高頻段使天線的阻抗匹配更完美。

由于傳感器天線的所有電參數(shù)都與頻率有著直接或間接的關(guān)系，電參數(shù)隨頻率的變化而變化，這就是天線的頻率特性。天線帶寬是指當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線的有關(guān)性能參數(shù)與要求的標(biāo)準(zhǔn)范圍一致。本發(fā)明的天線實(shí)現(xiàn)了寬頻帶特性，絕對(duì)帶寬為7.42GHz，頻率在2.58GHz～10GHz內(nèi)，反射系數(shù)S₁₁小于-10dB，天線的性能測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致性比較好，證明了優(yōu)化參數(shù)的合理性。

將實(shí)施例天線應(yīng)用到原油含水率實(shí)際測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證，如圖19所示，將一對(duì)傳感器天線放置于容納有被測(cè)介質(zhì)的容器的兩側(cè)，傳感器天線的天線輻射片貼近容器側(cè)壁放置，其中一傳感器天線為發(fā)射天線，另一傳感器天線為接收天線，將傳感器天線通過50歐姆同軸線與AgilentN5230C網(wǎng)絡(luò)分析儀相連。由發(fā)射天線發(fā)射微波信號(hào)，接收天線接收透過被測(cè)介質(zhì)的微波信號(hào)，測(cè)量得到的兩天線的反射系數(shù)(S₁₁、S₂₂)隨含水率的變化曲線圖如圖20所示，當(dāng)電磁波的頻率為3.8GHz時(shí)，油含水率在0％～100％的變化范圍內(nèi)，天線的反射系數(shù)都小于-10dB，而且收、發(fā)天線一致性較好；收、發(fā)天線的的反射系數(shù)存在一點(diǎn)誤差，可能是由于焊接不完全一樣和兩天線耦合的結(jié)果，當(dāng)反射系數(shù)小于-10dB時(shí)，衰減系數(shù)測(cè)量絕對(duì)誤差小于1dB。由以上實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)一步的證明了本發(fā)明天線能夠有效的測(cè)量油的含水率，并且測(cè)量誤差小。

本發(fā)明的傳感器天線克服了窄帶天線無法滿足天線諧振頻率在不同含水率的介質(zhì)中發(fā)生頻移后測(cè)量天線的反射系數(shù)仍小于-10dB的要求的問題，從而減小測(cè)量誤差，同時(shí)為保證傳輸系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，采用螺旋極化的寬帶天線，可以減小電磁波傳播過程中產(chǎn)生的反射、折射等干擾，天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，減小了誤差。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。