ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ дипольнои АНТЕННЫ В ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ РАДАРАХ СО СТУПЕНЧАТОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

May 7, 2012 by admin Комментировать »

Максимович Е. С., Михнев В. А., Вайникайнен П.

Институт прикладной физики НАН Беларуси, Академическая, 16, 220072, Минск, Беларусь Тел.(+375-17) 2842439; e-mail: makhel@iaph.bas-net.by, mikhnev@iaph.bas-net.by Helsinki University of Technology, P. O. Box 3000, FIN-02015 HUT, Finland Тел. (+358-9)4512251; e-mail: pertti.vainikainen@hut.fi

Аннотация – Рассмотрена модифицированная диполь- ная антенна типа bow – tie, разработанная для подповерхностного радара со ступенчатой перестройкой частоты (РСПЧ). Расширяющееся плечо диполя состоит из металлического сектора, перерастающего в полосково-щелевую структуру, и нагружено резистивными пленками. Для проведения сравнительного анализа использовался известный ТЕМ-рупор. Синтезированный импульс вычислялся из частотной зависимости коэффициента отражения с использованием процедуры калибровки и обратного преобразования Фурье. Работоспособность антенны продемонстрирована на различных примерах обнаружения малых слабо заглубленных объектов.

I.  Введение

Подповерхностные радары являются эффективным инструментом для неразрушающего контроля и подповерхностного зондирования. Различные радарные системы разрабатываются и используются для обнаружения зарытых объектов. И в каждой из них проектирование антенных систем играет важную роль, особенно при обнаружении не глубоко зарытых объектов, или объектов, имеющих низкий контраст по свойствам по сравнению с окружающей средой. Как правило, такие антенны располагаются вблизи поверхности тестируемого объекта. Так как объект находится в ближней зоне антенны, а антенная теория разработана главным образом для дальней зоны, напрямую ее применять некорректно. Антенная система для подповерхностного радара должна обладать хорошей излучательной способностью, быть легкой и достаточно дешевой. Кроме того, для получения лучшего разрешения, к системам такого типа предъявляются требования по широкополосности или сверхширокополосности. Для подавления нежелательного прохождения сигнала между антеннами, уменьшения переотражений внутри системы, а также между поверхностью объекта исследования и апертурой принимаются специальные меры.

В данной статье авторами рассматривается возможность использования в радарах с переменной частотой излучения модифицированного диполя типа bow-tie (бабочка). Такой диполь (именуемый также bifin) является планарной версией урезанного бико- нического диполя и широко применяется в импульсных подповерхностных радарах [1, 2]. Основным недостатком этой антенны при использовании в радарах с перестройкой частоты является проблема им- педансного согласования по всему частотному диапазону, широкая диаграмма направленности, проблема переотражений от концов расширенного плеча. Предлагаемая конструкция дипольного плеча подавляет источник таких переотражений.

II.  Основная часть

Предлагаемая авторами дипольная антенна была изготовлена печатным способом на подложке с диэлектрической проницаемостью 4,2. Угол расширения плеча диполя равен 90°, длина – 8 см. Каждое плечо состоит из центральной сплошной металлической части и полосково-щелевой структуры, разбитой на сектора (Рис.1). Размеры полосков и щелей подбирались экспериментально и составляют 1,2 мм для полоска и 0,8 мм для щели.

Рис. 1. Внешний вид антенны. Fig. 1. Antenna configuration

Длинные продольные щели как в [3] служат для подавления мод высокого порядка. Область, состоящая из поочередно расположенных полосков и щелей, работает как некая замедляющая структура. Именно поэтому обычно используемая резистивная нагрузка на краях антенн такого типа, в данной модификации не нужна. Предложенный дизайн значительно снижает нежелательные отражения от открытого края антенны в достаточно широком частотном диапазоне, в то время как эффективность антенны остается высокой. Для последующего уменьшения внутренних переотражений и снижения нежелательного проникновения сигнала из антенны в антенну при работе в бис- татическом режиме, использовались резистивные пленки с постоянным сопротивлением 200 Ом/П.

Экспериментальные исследования антенн в бис- татической конфигурации проводились в частотном диапазоне 2 – 6 ГГц с использованием векторного анализатора HP8753D (по 401 точке) на ящике с влажным песком. В качестве объектов обнаружения использовались диэлектрический, изготовленный из материала с диэлектрической проницаемостью 4, и металлический стержни, диаметром 12 мм. Объекты зарывались на глубины Зи 10 см от поверхности. Синтезированный импульс вычислялся из частотной зависимости коэффициента отражения с использованием процедуры калибровки и обратного преобразования Фурье. Процедура калибровки, описанная в [4] и включающая в себя калибровку в свободном пространстве и с использованием пяти позиций металлического листа позволила значительно сузить доминантный отклик, что способствовало впоследствии его лучшему вычитанию (Рис.2).

Рис. 2. Синтезированный профиль, полученный от ящика с песком без объекта до и после процедуры калибровка-вычитание.

Рис. 4. Обнаружение металлического стержня диаметром 12 мм во влажном песке на глубине 10 см.

«воздух / песок». Сама граница обозначена вертикальной линией на нулевой глубине.

Fig. 2. Synthesized range profile obtained for box of sand without object before and after calibration/subtraction procedure

Для оценки работоспособности разработанных модифицированных диполей экспериментальные исследования проводились с использованием спроектированной и изготовленной авторами второй пары антенн – ТЕМ-рупоров. Эти антенны хорошо известны в подповерхностной радиолокации и благодаря своим направленным свойствам, широкополосности, низкому уровню нежелательных переотражений, простоте изготовления, низкой стоимости находят широкое применение. На Рис.З и Рис.4 приведены результаты сравнительных исследований для двух типов антенн.

Рис. 3. Обнаружение пустоты во влажном песке на глубине 3 см от поверхности диполем и ТЕМ рупором.

Fig. 3. Detection of a void buried at a depth of 3 cm under the ground surface by bow-tie and TEM-horn antennas

Обнаружение и определение глубины залегания скрытого объекта производилось по максимумам преобразованного сигнала. На рис.4 показан синтезированный профиль, полученный от залегающего на глубине 10 см металлического стержня диаметром 12 мм после вычитания первой границы раздела

Fig. 4. Detection of metal rod (12 mm diameter) buried in moist sand at the depth of 10 cm

Показана возможность обнаружения протяженной пустоты диаметром 12 мм, расположенной на глубине 3 см от поверхности и «скрытой» основным пиком, полученным от первой границы объекта исследований. Калибровочная процедура позволила несколько более четко обозначить пустоту под главным пиком для диполя.

Как видно из рисунков, несмотря на то, что модифицированный диполь имеет достаточно высокий уровень помехового сигнала (порожденного переот- ражениями «антенна – поверхность объекта»), отклики и от пустоты, и от металлического стержня, полученные дипольной антенной, имеют значительно большую амплитуду, т. е. четче в определении.

I.    Заключение

В работе представлена спроектированная и изготовленная применительно к радару со ступенчатой перестройкой частоты модифицированная широкополосная дипольная антенна, состоящая из металлического сектора, переходящего в полосковощелевую часть. Исследования проводились в сравнении с известной антенной ТЕМ-рупор на различных объектах, расположенных на разной глубине залегания в ящике с влажным песком. Показано, что процедура «калибровка/вычитание» работает достаточно эффективно для диполя, имеющего широкую диаграмму направленности, осложняющую использование таких антенн в РСПЧ. Модификация вносит некоторую неоднородность в свойства антенны, позволяющую избавиться от целого ряда нежелательных переотражений. Антенна достаточно проста и удобна в применении.

II.   Список литературы

[1]  A. A. Lestari, A. G. Yarovoy, L. P. Ligthart,. An efficient ultra- wide-band bow-tie antenna, in Proceedings of the 31st European Microwave Conference, London, UK, Sep.2001, pp.129-132.

[2]  J. D. Kraus, R. J. Marhefka. Antennas (for all applications), Third Edition, McGraw Hill, 2002.

[3]  C. Waldschmidt and K. D. Palmer. Loaded wedge bow-tie antenna using linear profile, Electronics Letters, vol. 37,

2001,               no. 4, pp. 208-209.

[4]  V. Mikhnev, Ye. Maksimovitch, P. Vainikainen, «Analysis of antennas forstep-frequency ground penetrating radar,» Proceedings of the 9th International Conference on Ground Penetrating Radar, Santa Barbara, 29 April-2 May 2002, pp. 86-90.

A MODIFIED BOW-TIE ANTENNA DESIGN FOR STEP-FREQUENCY SUBSURFACE RADAR APPLICATIONS

Maksimovitch Ye., Mikhnev V. and Vainikainen P.* Institute of Applied Physics

Akademicheskaya, 16, 220072 Minsk, BELARUS tel. +375-17-284 24 39; fax +375-17-284 10 81, e-mail: makhel@iaph.bas-net.by, mikhnev@iaph.bas-net. by,

*Helsinki University of Technology P. O. Box 3000, FIN-02015 HUT, Finland tel. (+358-9)4512251, e-mail: pertti. vainikainen@hut. fi

Abstract – A modified bow-tie antenna for step-frequency ground penetrating radar is proposed. The flared dipole arm consists of a metal sector gradually converting into a strip-slot structure loaded by resistive films. For the comparison, а ТЕМ horn is used. The synthesized pulse waveform is computed from the frequency-domain data using calibration procedure and inverse Fourier transform. The antenna performance is demonstrated in several examples of detecting small shallowly buried subsurface targets.

I.  Introduction

Ground penetrating radar (GPR) is an effective technique of nondestructive testing and subsurface sensing. Different radar systems have been proposed and utilized for detecting buried targets. In all of them, the antenna system plays the important role especially when detection of shallowly buried targets or targets with poor contrast to the surrounding medium is needed. To get small «footprint», GPR antennas are placed near surface of the object under the test. Thus, the object is in near field of the antenna, and antenna theory developed mainly for far- field conditions, cannot be applied directly. Besides, antenna in general should possess good radiation efficiency, should be light-weight and low-cost. The GPR antennas also should be wideband or ultra-wideband to obtain better resolution. To reduce clutter, special efforts for suppressing internal reflections inside antenna and unwanted reflections between surface of the medium and antenna aperture should be applied.

In this work, a modified design of a bow-tie antenna for step-frequency radar is proposed. Such dipole (called also bi- fin antenna) being a planar version of the finite biconical dipole had been widely applied for years in subsurface impulse radar [1,2]. Main drawbacks of this antenna are related with poor wideband impedance matching and ringing caused by reflections from flare ends. Our design aims to suppress these sources of clutter.

II.  Results and discussion

The bow-tie antenna with the flare angle of 90°and length of about 8 cm was fabricated using photo-etching technique on the substrate with dielectric permittivity of 4.2. The both flares consist of a central metal sector and strip-slot structure (Fig. 1). Their dimensions had been chosen experimentally so that strip width is of about 1.2 mm and the width of slots is of 0.8 mm.

The longitudinal slots as in [3] have been used for suppression of higher-order modes. The whole part of the antenna consisting of transverse strips and slots operates as some slow- wave structure. That is why heavy resistive loading usually applied at the ends of the antennas of this kind, is not used here. Such design removes effectively unwanted reflections from the antenna open ends in a wide frequency range while the antenna efficiency keeps high. For further reducing clutter caused by internal reflections inside antenna and suppressing coupling between antennas in the bistatic configuration, we used resistive sheet with constant resistivity of 200 Q/D.

Experimental investigations of the antenna in a bistatic configuration have been carried out using box filled with wet sand and several small objects such as dielectric rod made of bake- lite and metal rod with the diameter of 12 mm buried at different depths in wet sand. The input data had been collected using vector network analyzer HP8753D in the frequency band of 2 to 6 GHz (401 points).

The results in Fig. 2 are presented in the form of synthetic pulse computed from the frequency response by an inverse discrete Fourier transform. The calibration procedure described in [4] had been applied to the raw input data of modified bow – tie antenna. The calibration considerably improves the range profile. Thus, the main peak becomes narrow resulting in improved resolution. Second, effect of unwanted multiple reflections is suppressed. The calibration was followed by a subtraction of ground surface return. After subtraction procedure we can see small clutter component for antenna.

In Fig. 3 and Fig. 4, results of comparative test of the modified bow-tie antenna and TEM-horn are shown. ТЕМ- horn antenna is suitable for comparison because it is well known antenna for ground penetrating radar applications by its wide frequency band of operation, satisfactory directivity and low level of unwanted reflections.

Synthetic range profile shown in Fig. 3 demonstrates detection of small void placed just under the ground surface in moist sand at a depth of 3 cm. The subtraction of the ground surface return is necessary because otherwise the object response is hidden by the sidelobe of dominant reflection.

For another example (Fig. 4) synthetic range profile have been obtained for metal rod with diameter of 12 mm buried in moist sand at a depth of 10 cm. Calibration / subtraction procedure had been utilized for both antenna types. The position of subtracted ground surface return is shown in Fig. 4 by a vertical line at zero depth.

In both cases we see adequate behavior of antennas.

The calibration/subtraction procedure works effectively enough for dipole antenna types. Although the bow-tie antenna produces higher clutter component just under the ground surface, the response from the target is higher as well. Similar results had been obtained also for other small objects placed just under the ground surface. Thus, the modified bow-tie antenna demonstrates similar behavior in GPR applications as compared to ТЕМ horn, whereas dimensions and weight of bow-tie antenna are several times lower.

III.  Conclusion

A modified bow-tie antenna consisting of a central metal sector and strip-slot area is designed and fabricated. A comparison of fabricated antenna and TEM-horn is carried out using several experimental configurations concerning detection of small shallow underground targets. The both antennas demonstrate similar detection characteristics. However, the bow-tie antenna outperforms the TEM-horn antenna in weight and size.

Аннотация – Приведены результаты экспериментального и теоретического исследования антенны Вивальди в режиме возбуждения наносекундными импульсами. Рассчитана зависимость энергетического коэффициента на- прав-ленного действия и коэффициента полезного действия фидерного тракта от длительности возбуждающего импульса гауссовой формы. Приведены экспериментальные результаты регистрации временной зависимости принятых импульсов в канале связи, состоящем из двух идентичных антенн.

I.  Введение

Для излучения сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов в большинстве случаев в радиосистемах используются сверхширокопо- лосные антенны различных типов: «толстые» вибраторы (например, биконические), ТЕМ-рупоры и т. д. Значительно меньшее внимание в литературе уделено использованию для этих целей антенн Вивальди [1, 2], в то время как в других приложениях они нашли широкое применение.

Кроме того, в литературе практически отсутствуют сведения о количественной оценке важнейших энергетических характеристик антенн Вивальди в импульсном режиме, таких как энергетический коэффициент направленного действия (ЭКНД), коэффициент полезного действия (КПД) фидерного тракта и других, что затрудняет проектирование импульсных систем с этими антеннами и оценку их дальности действия.

В связи с этим, целью данной работы является определение основных характеристик излучателя Вивальди для различных длительностей возбуждающего импульса и геометрии антенны, а также экспериментальное исследование канала связи, состоящего из двух таких антенн.

II.  Основная часть

Экспериментальные результаты получены на двух образцах описанного ранее в работах [3] варианта антенны Вивальди, обладающего полосой рабочих частот 0.5-4.0 ГГц по критерию S11< -10 дБ с размерами раскрыва 310 х 200мм. Передающая антенна возбуждалась гауссовым импульсом с длительностью около 1 не по уровню 0,1. Временная зависимость сигнала на выходе приемной антенны, установленной в дальней зоне в воздухе, представлена на рис.1 (нормальное направление). Аналогичные зависимости исследованы и для других угловых направлений в Е и Н -плоскостях. Отмечено заметное отличие в ширине энергетической ДН в Е и Н плоскостях антенны (в Е-плоскости уже).

Электродинамический анализ выполнен с привлечением пакета «Microwave studio», вычислительное ядро которого основано на FIT-методе (Finite integration technique). Данный подход, при высокой вычислительной эффективности позволяет находить решение непосредственно во временной области.

Моделирование формы сигнала на нагрузке приемной антенны дало удовлетворительное совпадение с результатами эксперимента [4].

Рис. 1. Форма сигнала на нагрузке приёмной антенны.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты