Максимович Є. С., Міхньов В. А., Вайнікайнен П.

Інститут прикладної фізики НАН Білорусі, Академічна, 16, 220072, Мінськ, Білорусь 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

Анотація – Розглянуто модифікована диполь-ная антена типу bow – tie, розроблена для підповерхневого радара із ступінчастою перебудовою частоти (РСПЧ). Розширюється плече диполя складається з металевого сектора, переростає в Полоскова-щілинну структуру, і навантажено резистивними плівками. Для проведення порівняльного аналізу використовувався відомий ТИМ-рупор. Синтезований імпульс обчислювався з частотної залежності коефіцієнта відбиття з використанням процедури калібрування та зворотного перетворення Фур’є. Працездатність антени продемонстрована на різних прикладах виявлення малих слабо заглиблених об’єктів.

I. Вступ

Підповерхневі радари є ефективним інструментом для неруйнівного контролю та підповерхневого зондування. Різні радарні системи розробляються і використовуються для виявлення зариті об’єктів. І в кожній з них проектування антенних систем відіграє важливу роль, особливо при виявленні не глибоко зариті об’єктів, або об’єктів, що мають низький контраст за властивостями в порівнянні з навколишнім середовищем. Як правило, такі антени розташовуються поблизу поверхні тестованого об’єкта. Так як об’єкт знаходиться в ближній зоні антени, а антенна теорія розроблена головним чином для дальньої зони, безпосередньо її застосовувати некоректно. Антенна система для підповерхневого радара повинна мати гарну излучательной здатністю, бути легкою і досить дешевою. Крім того, для отримання кращого дозволу, до систем такого типу пред’являються вимоги по широкополосности або надширокосмугового. Для придушення небажаного проходження сигналу між антенами, зменшення перевідбиттів всередині системи, а також між поверхнею об’єкта дослідження і апертурою приймаються спеціальні заходи.

В даній статті авторами розглядається можливість використання в радарах із змінною частотою випромінювання модифікованого диполя типу bow-tie (метелик). Такий диполь (іменований також bifin) є планарной версією урізаного БІКО-ного диполя і широко застосовується в імпульсних підповерхневих радарах [1, 2]. Основним недоліком цієї антени при використанні в радарах з перебудовою частоти є проблема им-педансного узгодження по всьому частотному діапазону, широка діаграма спрямованості, проблема перевідбиттів від кінців розширеного плеча. Пропонована конструкція дипольного плеча пригнічує джерело таких перевідбиттів.

II. Основна частина

Пропонована авторами дипольна антена була виготовлена ​​друкарським способом на підкладці з діелектричною проникністю 4,2. Кут розширення плеча диполя дорівнює 90 °, довжина – 8 см. Кожне плече складається з центральної суцільною металевою частини і Полоскова-щілинний структури, розбитою на сектори (Рис.1). Розміри Полосков і щілин підбиралися експериментально і становлять 1,2 мм для смужка і 0,8 мм для щілини.

Рис. 1. Зовнішній вигляд антени. Fig. 1. Antenna configuration

Довгі поздовжні щілини як в [3] служать для придушення мод вищого порядку. Область, що складається з по черзі розташованих Полосков і щілин, працює як якась уповільнююча структура. Саме тому зазвичай використовувана резистивна навантаження на краях антен такого типу, в даній модифікації не потрібна. Запропонований дизайн значно знижує небажані віддзеркалення від відкритого краю антени у досить широкому частотному діапазоні, в той час як ефективність антени залишається високою. Для подальшого зменшення внутрішніх перевідбиттів і зниження небажаного проникнення сигналу з антени в антену при роботі в біс-татіческом режимі, використовувалися резистивні плівки з постійним опором 200 Ом / П.

Експериментальні дослідження антен в біс-татіческой конфігурації проводилися в частотному діапазоні 2 – 6 ГГц з використанням векторного аналізатора HP8753D (по 401 точці) на ящику з вологим піском. В якості об’єктів виявлення використовувалися діелектричний, виготовлений з матеріалу з діелектричною проникністю 4, і металевий стрижні, діаметром 12 мм. Об’єкти заривалися на глибини Зи 10 см від поверхні. Синтезований імпульс обчислювався з частотної залежності коефіцієнта відбиття з використанням процедури калібрування та зворотного перетворення Фур’є. Процедура калібрування, описана в [4] і включає в себе калібрування у вільному просторі і з використанням п’яти позицій металевого листа дозволила значно звузити домінантний відгук, що сприяло згодом його кращому вирахуванню (Рис.2).

Рис. 2. Синтезований профіль, отриманий від ящика з піском без об’єкта до і після процедури калібрування-віднімання.

Рис. 4. Виявлення металевого стержня діаметром 12 мм у вологому піску на глибині 10 см.

«повітря / пісок». Сама межа позначена вертикальною лінією на нульовий глибині.

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

Для оцінки працездатності розроблених модифікованих диполів експериментальні дослідження проводилися з використанням спроектованої і виготовленої авторами другої пари антен – ТИМ-рупорів. Ці антени добре відомі в підповерхневої радіолокації і завдяки своїм спрямованим властивостям, широкополосности, низькому рівню небажаних перевідбиттів, простоті виготовлення, низької вартості знаходять широке застосування. На Ріс.З і Рис.4 наведені результати порівняльних досліджень для двох типів антен.

Рис. 3. Виявлення порожнечі у вологому піску на глибині 3 см від поверхні диполем і ТИМ 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

Виявлення і визначення глибини залягання прихованого об’єкта проводилося за максимумів перетвореного сигналу. На рис.4 показаний синтезований профіль, отриманий від залягає на глибині 10 см металевого стержня діаметром 12 мм після вирахування першому кордоні розділу

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

Показана можливість виявлення протяжної порожнечі діаметром 12 мм, розташованої на глибині 3 см від поверхні і «прихованої» основним піком, отриманим від першої межі об’єкта досліджень. Калібрувальна процедура дозволила декілька більш чітко позначити порожнечу під головним піком для диполя.

Як видно з малюнків, незважаючи на те, що модифікований диполь має досить високий рівень помехового сигналу (породженого переот-раженіямі «антена – поверхня об’єкта»), відгуки і від порожнечі, і від металевого стержня, отримані дипольної антеною, мають значно більшу амплітуду, тобто чіткіше у визначенні.

I. Висновок

В роботі представлена ​​спроектована і виготовлена ​​стосовно радару із ступінчастою перебудовою частоти модифікована широкосмугова дипольна антена, що складається з металевого сектора, переходить у полосковощелевую частину. Дослідження проводилися в порівнянні з відомою антеною ТИМ-рупор на різних об’єктах, розташованих на різній глибині залягання в ящику з вологим піском. Показано, що процедура «калібрування / віднімання» працює досить ефективно для диполя, що має широку діаграму спрямованості, ускладнює використання таких антен в РСПЧ. Модифікація вносить деяку неоднорідність в властивості антени, що дозволяє позбутися від цілого ряду небажаних перевідбиттів. Антена досить проста і зручна в застосуванні.

II. Список літератури

[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 ТИМ 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. ТИМ-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 ТИМ 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.

Анотація – Наведено результати експериментального та теоретичного дослідження антени Вівальді в режимі збудження наносекундних імпульсами. Розрахована залежність енергетичного коефіцієнта на-прав-ленного дії та коефіцієнта корисної дії фідерного тракту від тривалості збуджуючого імпульсу гауссовой форми. Наведено експериментальні результати реєстрації тимчасової залежності прийнятих імпульсів в каналі зв’язку, що складається з двох ідентичних антен.

I. Вступ

Для випромінювання надкоротких імпульсів і надширокосмугових сигналів у більшості випадків в радіосистемах використовуються сверхшірокопо-лисніє антени різних типів: «товсті» вібратори (наприклад, біконічні), ТИМ-рупори і т. д. Значно меншу увагу в літературі приділено використанню для цих цілей антен Вівальді [1, 2], в той час як в інших додатках вони знайшли широке застосування.

Крім того, в літературі практично відсутні відомості про кількісну оцінку найважливіших енергетичних характеристик антен Вівальді в імпульсному режимі, таких як енергетичний коефіцієнт спрямованого дії (ЕКНД), коефіцієнт корисної дії (ККД) фідерного тракту та інших, що ускладнює проектування імпульсних систем з цими антенами та оцінку їх дальності дії.

У зв’язку з цим, метою даної роботи є визначення основних характеристик випромінювача Вівальді для різних тривалостей збуджуючого імпульсу і геометрії антени, а також експериментальне дослідження каналу зв’язку, що складається з двох таких антен.

II. Основна частина

Експериментальні результати отримані на двох зразках описаного раніше в роботах [3] варіанту антени Вівальді, що володіє смугою робочих частот 0.5-4.0 ГГц за критерієм S11 < -10 дБ з розмірами розкриву 310 х 200мм. Передавальна антена збуджувалася гауссових імпульсом з тривалістю близько 1 не за рівнем 0,1. Тимчасова залежність сигналу на виході прийомної антени, встановленої в далекій зоні в повітрі, представлена ​​на рис.1 (нормальне напрямок). Аналогічні залежності досліджені і для інших кутових напрямків в Е і Н-площинах. Відзначено помітну відмінність у ширині енергетичної ДН в Е і Н площинах антени (в Е-площині вже).

Електродинамічний аналіз виконаний із залученням пакета «Microwave studio», обчислювальне ядро ​​якого заснована на FIT-методі (Finite integration technique). Даний підхід, при високій обчислювальної ефективності дозволяє знаходити рішення безпосередньо в тимчасовій області.

Моделювання форми сигналу на навантаженні приймальної антени дало задовільний збіг з результатами експерименту [4].

Рис. 1. Форма сигналу на навантаженні приймальної антени.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»