專利名稱：一種適用于爆炸物探測的低頻調(diào)諧天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)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(diào)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(tǒng)由主控計算機、信號發(fā)生器、大功率發(fā)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(fā)送脈沖控制序列給信號發(fā)生器，然后信號發(fā)生器產(chǎn)生與待測樣品特征頻率相同的射頻脈沖，此脈沖經(jīng)過大功率發(fā)射機放大后發(fā)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(chǎn)生能級躍遷(假定樣品中含有待測物質(zhì))。當計算機控制射頻脈沖停止工作時，隨后待測物質(zhì)中的N原子由高能態(tài)恢復到平衡態(tài)，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(jīng)過前置放大器放大后，通過接收裝置進行模數(shù)轉(zhuǎn)換等相關處理后，并將結果送給主控計算機進行處理，據(jù)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(chǎn)生的，后者可以在短時間內(nèi)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(tǒng)中天線線圈扮演著極其重要的角色，它不僅激發(fā)包含待測物質(zhì)的樣品產(chǎn)生NQR的信號，還要接收微弱的NQR信號。然而，大多數(shù)爆炸物質(zhì)中NQR信號共振頻率(待測樣品的特征頻率)較低(一般在O. 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(tài)，一般也要求大于四分之一波長，而此頻段信號的波長為數(shù)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(jié)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(diào)諧電容構成諧振電路的方式，而待測的物質(zhì)位于螺旋線圈的中間，可通過接收微弱的NQR信號來實現(xiàn)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(tǒng)中，在對探測樣品激勵時，希望來自發(fā)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(tài)，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(fā)射或接收系統(tǒng)連接時，信號傳輸介質(zhì)應當視為傳輸線，根據(jù)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(tǒng)中，多采用阻抗為50歐姆的同軸電纜來連接發(fā)射電路與天線，這要求使用無源的功率匹配網(wǎng)絡將探測天線阻抗轉(zhuǎn)換為50歐姆，然后由同軸電纜無損失的將功率從發(fā)射機傳送到探測天線電路中。基于核四極矩共振探測系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)中發(fā)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(tǒng)來說，發(fā)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(fā)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(xù)時間被稱為天線的“死時間”。死時間與系統(tǒng)的Q值成正比。由于被檢測樣品受激勵產(chǎn)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(shù)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(shù)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(fā)明內(nèi)容

針對上述幾點要求，本發(fā)明提出了一種適用于爆炸物探測的低頻調(diào)諧天線，以解決在頻率較低(O. 5 6MHz范圍內(nèi))條件下，實現(xiàn)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的基于爆炸物探測的天線包括調(diào)諧電路其作用是將電路中的頻率調(diào)諧到待測物質(zhì)的特征頻率上，以激勵待測物質(zhì)的N原子吸收天線線圈輻射的能量而產(chǎn)生核四極矩共振。其實現(xiàn)電路有兩種形式分流式和分壓式調(diào)諧電路。阻抗匹配電路本發(fā)明設計中假定探測系統(tǒng)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&(即待測物質(zhì)的特征頻率)上為50歐姆，相位為0，也就是說使調(diào)諧電路在載頻上相位為0，阻抗為50歐姆。本發(fā)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(xiàn)上述目的。在諧振電路參數(shù)確定后，可根據(jù)分壓式和分流式調(diào)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。天線振鈴信號抑制電路(Q值變換電路)其作用是當發(fā)射機工作時，電路Q值很高，天線振鈴信號抑制電路不起作用。當發(fā)射機停止工作以后，電路Q值很低，使天線線圈儲存的剩余能量盡快通過天線振鈴信號抑制電路消耗掉，從而使發(fā)射機關閉到接收機打開的時間變小，在NQR信號接收期間呈現(xiàn)高的電路Q值，以提高對微弱NQR信號的探測靈敏度，即要求在探測過程中諧振電路的Q值由大變小再變大的過程。本發(fā)明提供了兩種形式的低頻調(diào)諧天線電路分流式低頻調(diào)諧天線電路和分壓式低頻調(diào)諧天線電路。假定探測系統(tǒng)的發(fā)射功率為Po，待測物質(zhì)的特性頻率為fo，系統(tǒng)的特征阻抗為Ztl,天線線圈L內(nèi)阻為Rtl,其電感量為U，天線線圈L3內(nèi)阻為R3,其電感量為L3,在匹配條件下有以下結論電路中總的等效電阻為Z = 2Zq有效電壓為:U = ^P0Z，最大電源值為'Um = 4 諧振角頻率為w = 2 π f。則兩種調(diào)諧方式下低頻探測天線電路參數(shù)確定方法如下I、分流式諧振探測天線的電路參數(shù)確定步驟I)參照

圖1，可確定如下參數(shù)ab兩端電壓Uab為Uab = Um/2，天線線圈L的最大電流 I。為
權利要求
1.一種適用于爆炸物探測的低頻調(diào)諧天線，其特征在于，包括高Q值調(diào)諧電路、阻抗匹配電路、振鈴信號抑制電路；高Q值調(diào)諧電路接收從大功率發(fā)射機輸出的含有待測樣品特征頻率的射頻脈沖；阻抗匹配電路用于使高Q值調(diào)諧電路復阻抗變?yōu)?0歐姆，相位為0 ;振鈴信號抑制電路作用是當發(fā)射機工作時，調(diào)諧電路Q值很高，天線振鈴信號抑制電路不起作用；當發(fā)射機停止工作以后，調(diào)諧電路Q值很低，使天線線圈儲存的剩余能量盡快通過天線振鈴信號抑制電路消耗掉，從而使發(fā)射機關閉到接收機打開的時間變小，在NQR信號接收期間呈現(xiàn)高的調(diào)諧電路Q值，以提高對微弱NQR信號的探測靈敏度，即在探測過程中振鈴信號抑制電路用于調(diào)節(jié)調(diào)諧電路的Q值由大變小再變大。
2.根據(jù)權利要求I所述的低頻調(diào)諧天線，其特征在于，低頻調(diào)諧天線電路為分流式低頻調(diào)諧天線電路；可調(diào)電容Ctl、天線線圈L構成高Q值調(diào)諧電路，線圈L1即阻抗匹配電路用于使調(diào)諧電路復阻抗變?yōu)?0歐姆，相位為0，變壓器T1、電阻R1和R2、電容C1、直流電源V。。、三極管Q1構成振鈴信號抑制電路。
3.根據(jù)權利要求2所述的低頻調(diào)諧天線，其特征在于，天線線圈L的參數(shù)為天線線圈L電感值Ltl = 6uH，其內(nèi)阻為Rtl = 0. 6 Q，天線線圈L的Q值約為214 = 257. 17nH,C0 =348. 28pF，變壓器T1的匝數(shù)比N = 10，變壓器T1初級線圈電感值為90mH和內(nèi)阻約為0. 6 Q，R1 = IOQ , R2 = IkQ , C1 = IuF, Vcc = 400V，TTL 脈沖高電平為 12V，低電平為 OV0
4.根據(jù)權利要求I所述的低頻調(diào)諧天線，其特征在于，低頻調(diào)諧天線電路為分壓式低頻調(diào)諧天線電路；可調(diào)電容C2、天線線圈L3構成高Q值調(diào)諧電路，電容C4即阻抗匹配電路的目的是使高Q值調(diào)諧電路復阻抗變?yōu)?0歐姆，相位為0，而變壓器T2、電阻R4和R5、電容C3、直流電源Vdd、三極管Q2構成振鈴信號抑制電路。
5.根據(jù)權利要求4所述的低頻調(diào)諧天線，其特征在于，天線線圈L3的參數(shù)為天線線圈L3電感值L3 = 6uH，其內(nèi)阻為R3 = 0. 6Q。線圈Q’值約為214，C4 = 39. 768pF，C2=323. 26pF，變壓器T2的匝數(shù)比N' = 10，變壓器T2初級線圈電感值為90mH和內(nèi)阻約為0.6Q , R4 = IOQ , R5 = IkQ , C3 = IuF, Vdd = 380V, TTL 脈沖高電平為 12V，低電平為 OV0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于爆炸物探測的低頻調(diào)諧天線，包括高Q值調(diào)諧電路、阻抗匹配電路、振鈴信號抑制電路；高Q值調(diào)諧電路接收從大功率發(fā)射機輸出的含有待測樣品特征頻率的射頻脈沖；阻抗匹配電路用于使高Q值調(diào)諧電路復阻抗變?yōu)?0歐姆，相位為0；振鈴信號抑制電路作用是當發(fā)射機工作時，電路Q值很高，天線振鈴信號抑制電路不起作用。當發(fā)射機停止工作以后，電路Q值很低，使天線線圈儲存的剩余能量盡快通過天線振鈴信號抑制電路消耗掉，從而使發(fā)射機關閉到接收機打開的時間變小，在NQR信號接收期間呈現(xiàn)高的電路Q值，以提高對微弱NQR信號的探測靈敏度，即要求在探測過程中諧振電路的Q值由大變小再變大的過程。
文檔編號H03H7/38GK102624411SQ20121004682
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權日2012年2月28日
發(fā)明者何學輝, 劉宏偉, 朱凱然, 蘇濤, 陽燕 申請人:西安電子科技大學