[發明專利]一種適用于爆炸物探測的低頻調諧天線

無效

• 申請號: 201210046827.7
• 申請日: 2012-02-28
• 公開（公告）號: CN102624411A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 何學輝;陽燕;朱凱然;蘇濤;劉宏偉
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B1/18
• 分類號: H04B1/18;H03J3/20;H03J5/02;H03H7/38;G01N24/08
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技術領域

本發明屬于射頻電路設計領域，具體的說是一種適用于爆炸物探測的低頻調諧天線。

背景技術

基于核四極矩共振(Nuclear?Quadrupole?Resonance縮寫為NQR)爆炸物探測系統由主控計算機、信號發生器、大功率發射機、天線線圈、前置放大器和接收裝置組成。

NQR探測過程有以下幾步，首先，計算機發送脈沖控制序列給信號發生器，然后信號發生器產生與待測樣品特征頻率相同的射頻脈沖，此脈沖經過大功率發射機放大后發射到天線線圈上，天線線圈向外輻射電磁場，待測爆炸物中的核四極矩不為零的N原子在吸收天線線圈輻射出的能量后產生能級躍遷(假定樣品中含有待測物質)。當計算機控制射頻脈沖停止工作時，隨后待測物質中的N原子由高能態恢復到平衡態，在此過程中釋放出包含特征頻率的能量，即NQR信號。NQR信號經過前置放大器放大后，通過接收裝置進行模數轉換等相關處理后，并將結果送給主控計算機進行處理，據此判別樣品中是否含有待測爆炸物。其中NQR信號通?？煞譃樽杂筛袘p(FID)信號和自旋回波(SE)信號，它們是在不同的激勵脈沖序列形式下產生的，后者可以在短時間內使NQR信號的信噪比(SNR)得以改善。

由NQR探測過程可以看出，系統中天線線圈扮演著極其重要的角色，它不僅激發包含待測物質的樣品產生NQR的信號，還要接收微弱的NQR信號。

然而，大多數爆炸物質中NQR信號共振頻率(待測樣品的特征頻率)較低(一般在0.5～6MHz范圍)。此頻段屬于射頻中的低頻段，從理論上講，天線尺寸為波長一半為最佳利用輻射能量的狀態，一般也要求大于四分之一波長，而此頻段信號的波長為數十米左右，若按此要求進行設計則天線尺寸至少十米。為了節約成本和減小體積，設計的NQR探測天線采用了一個螺旋線圈加調諧電容構成諧振電路的方式，而待測的物質位于螺旋線圈的中間，可通過接收微弱的NQR信號來實現爆炸物探測，設計的線圈的尺寸遠小于信號波長的尺寸。

基于核四極矩共振探測系統中，在對探測樣品激勵時，希望來自發射機的功率信號能夠最大限度地作用到樣品上，同時在對微弱NQR信號回波進行接收時則要求探測天線具有較高的靈敏度，因此探測天線一般工作在諧振狀態，同時具有較高的Q值以保證較高的天線增益。

探測天線與發射或接收系統連接時，信號傳輸介質應當視為傳輸線，根據傳輸線理論，并考慮功率反射，阻抗匹配等特性，負載匹配是非常重要的一種提高效率的方法。由于在無線電系統中，多采用阻抗為50歐姆的同軸電纜來連接發射電路與天線，這要求使用無源的功率匹配網絡將探測天線阻抗轉換為50歐姆，然后由同軸電纜無損失的將功率從發射機傳送到探測天線電路中。

基于核四極矩共振探測系統工作時，系統中發射機和接收機一般是分時工作的，理論上，針對基于FID信號進行探測的系統來說，發射機停止工作時，接收機馬上開始工作，這時候接收到的NQR信號是最強的，但是由于發射機停止工作后，由于天線的Q值較高，而使天線儲存了一定的能量，此能量不能及時釋放，從而形成了衰減的振蕩，即天線的振鈴拖尾。拖尾振鈴的持續時間被稱為天線的“死時間”。死時間與系統的Q值成正比。由于被檢測樣品受激勵產生的NQR信號本身很微弱，而天線的振鈴拖尾比NQR信號大好幾個數量級，完全可以將NQR信號淹沒，所以抑制拖尾振鈴是能否檢測到NQR信號的關鍵。由于FID信號強度是隨時間成指數衰減的(衰減非常快)，在時間軸上越靠前其信號強度越大，為了提高NQR信號的信噪比，盡量將采集NQR信號的采樣時間窗提前，即必須減少死時間。

發明內容

針對上述幾點要求，本發明提出了一種適用于爆炸物探測的低頻調諧天線，以解決在頻率較低(0.5～6MHz范圍內)條件下，實現對爆炸物樣品的有效激勵及對極其微弱的NQR信號的探測。

為實現上述目的，本發明提供的基于爆炸物探測的天線包括：

調諧電路：其作用是將電路中的頻率調諧到待測物質的特征頻率上，以激勵待測物質的N原子吸收天線線圈輻射的能量而產生核四極矩共振。其實現電路有兩種形式：分流式和分壓式調諧電路。

阻抗匹配電路：本發明設計中假定探測系統的信號傳輸阻抗為50歐姆，為使輸出功率最大，設計天線線圈的復阻抗在載頻f₀(即待測物質的特征頻率)上為50歐姆，相位為0，也就是說使調諧電路在載頻上相位為0，阻抗為50歐姆。本發明設計中通過選擇阻抗匹配設計中的電容或電感值來實現上述目的。在諧振電路參數確定后，可根據分壓式和分流式調諧電路器件的計算公式可以求得阻抗匹配設計的電容、電感值。