Радиоволновые и оптические методы
УДК 621.396
ОСОБЕННОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ РАДИОЛОКАТОРОВ СО СТУПЕНЧАТОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ
В. А. Михнев, Е. С. Максимович, П. Вайникайнен
Повышение надежности обнаружения и идентификации скрытых объектов в различных диэлектрических средах требует решения ряда взаимосвязанных проблем. Одним из наиболее важных и в то же время недостаточно разработанных элементов подповерхностного радара является антенная система, которая во многом определяет конечный результат. В статье приводится сравнительный анализ работы рассчитанных и изготовленных авторами двух типов антенн — однонаправленной спиральной антенны и антенны на основе расширяющейся щелевой линии с экспоненциальным раскрывом.
КРИТЕРИИ ВЫБОРА АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ РАДАРОВ
Антенные системы подповерхностных радаров для уменьшения площади пятна облучения, повышения чувствительности к мелким дефектам и уменьшения относительного вклада отражений от близлежащих предметов обычно располагаются вблизи поверхности среды. При этом объект оказывается в ближней зоне антенны и использование традиционной антенной теории, где большинство параметров формулируется для дальней зоны, становится затруднительным.
К наиболее общим характеристикам антенн подповерхностных радаров относятся полоса рабочих частот, которой определяется разрешающая способность и глубина зондирования, габаритные размеры и качество согласования, особенно с внешним пространством. Поскольку большинство реальных сред (почва, строительные конструкции) обладают заметной дисперсией, выбор диапазона рабочих частот осуществляется на основе некоторого компромисса между разрешающей способностью и глубиной зондирования.
Близость к антенне объекта контроля приводит к тому, что изменение свойств среды и расстояния между антенной и поверхностью изменяет распределение токов и характеристики излучения, что зачастую создает трудности в интерпретации полученных результатов. Например, рупорная антенна, расположенная вблизи сильного отражателя, формирует вместе с последним подобие низкодобротного резонатора и обнаруживает множество паразитных резонансов, которые иногда маскируют полезные сигналы. Следовательно, для точных измерений в свободном пространстве важно обеспечить хорошее согласование антенны с пространством. Для широкополосных антенн даже согласование со стороны фидера является непростой задачей. Помимо этого, всегда имеет место отражение волны, падающей на антенну извне, и пренебрегать им нельзя. Возникающие вследствие всех рассогласований паразитные переотражения в пространстве между антенной и объектом также зависят от свойств объекта и расстояния до него, угла наклона антенны и вносят дополнительную погрешность в результаты измерений.
Знание параметров среды и объекта контроля может значительно облегчить решение проблемы согласования и учета или отстройки от переотражений. Подповерхностные радары используются преимущественно для зондирования почв, строительных конструкций, биологических объектов.
Определение диэлектрических свойств различных грунтов и других природных материалов остается задачей в большей степени эксперимен-
тальной. Камни, почва, бетон — сложные по своему составу материалы. Исследование их составляющих не приводит к однозначной оценке свойств, так как соотношение составляющих варьируется. Априорные знания об объекте, например тип почвы, слоистость, комкообразность, а для строительных конструкций — наличие арматуры, типы используемых материалов и т. д., несколько облегчают задачи не только антенного проектирования, но и интерпретации результатов. Кроме того, большая часть, например, грунтовых материалов содержит влагу, обычно с некоторым процентом соли. Повышение влажности приводит к быстрому росту диэлектрической проницаемости материала. Большая часть работ, посвященных изучению соотношения между свойствами составных материалов и их электрическими свойствами на высоких частотах, сводится к разработке подходящих моделей связи свойств материалов с их электромагнитными параметрами [1,2].
Наконец, на характеристики обнаружения скрытых объектов (например, мины, коммуникации, могильники и пр.) сильное влияние оказывает степень контраста диэлектрических свойств объекта и почвы. Чем ближе значения их диэлектрической проницаемости (например, пластиковые мины и сухой грунт), тем существеннее уменьшается амплитуда отраженного сигнала и жестче становятся требования к разрабатываемым антенным системам и методам обработки информации.
Таким образом, разработка, моделирование и оптимизация антенных систем для подповерхностных радаров с учетом особенностей конкретной задачи остаются на сегодняшний день актуальными.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ
Для радара со ступенчатой перестройкой частоты (РСПЧ) были спроектированы и изготовлены планарные широкополосные антенны двух типов — спиральная антенна на основе Архимедовой спирали на диапазон 300—850 МГц [3] и антенна на основе расширяющейся щелевой линии с экспоненциальным раскрывом (типа Вивальди) на диапазон 270— 1080 МГц.
Из-за сильной частотной дисперсии и связанных с ней искажений принятого импульса спиральные антенны не используются в импульсных радарах. В то же время они в течение многих лет были одним из основных типов антенн для радаров со ступенчатой перестройкой частоты. Спиральные антенны имеют сложный характер поляризации. На различных частотах антенна излучает волны с различной степенью эллиптичности и углом ориентации эллипса, что облегчает обнаружение протяженных объектов. Кроме того, отсутствует существенное влияние взаимного расположения приемной и передающей антенн.
Антенны изготавливались на материале Бикнс! 5870 со значением диэлектрической проницаемости 8 ~ 2,33. Диаметр антенны, обуславливающий нижний предел рабочего диапазона частот, рассчитывался по формуле
С
где с — скорость света в вакууме; /т|П — наименьшая частота диапазона. Соответственно диаметр при/т|п = 300 МГц составил 32 см.
Широкополосность антенны, как и ее согласование, зависят от устройства связи. В ближней зоне любой излучающей системы сосредоточен некоторый запас электромагнитной энергии, затрудняющий хорошее согласование входа антенны в широкой полосе частот. Например,
для спроектированной двухплечевой архимедовой спирали входной импеданс на центральной частоте диапазона со стороны кабеля составляет 92 Ом, а с излучающей стороны — 146 Ом [3]. Сопротивление коаксиального кабеля, питающего антенну — 50 Ом. В таких случаях для хорошего качества согласования в широкой полосе частот применяют многоступенчатые переходы. Длину ступенек регулярных участков перехода выбирают одинаковой, а необходимая форма частотной характеристики согласования обеспечивается правильным расчетом волновых сопротивлений ступенек. Для нашего случая наилучшим образом подходит чебы-шевская характеристика коэффициента отражения. В данной работе был спроектирован и оптимизирован с использованием проектировочного пакета программ НР НБЗЗ 5.4 восьмиступенчатый переход с чебышев-ской характеристикой, выполненный впоследствии печатным способом в виде микрополоскового электрода, который укладывался с другой стороны подложки вдоль центральной части одного из двух плеч спирали. Таким образом, плечо спирали является заземляющей плоскостью для ми-крополосковой линии, которая, в свою очередь, служит возбудителем спирали и согласующим устройством. Восемь ступеней обеспечивают достаточно плавный переход от 50 к 92 Ом. Для получения однонаправленного излучения установлен плоский металлический экран, расположенный позади излучающей части. Уменьшение резонансного эффекта между плоским экраном и спиралью достигается за счет размещения поглотителя на определенном расстоянии от спирали, вносящего, однако, некоторые потери.
Вторая широкодиапазонная антенна, относящаяся к классу антенн бегущей волны и представляющая собой щелевую линию с экспоненциальным раскрывом, также изготовлена печатным способом на стеклотекстолите с £ = 4,3. Эти антенны имеют ту особенность, что они построены на принципиально сбалансированном типе линии передачи — щелевой линии, и поэтому здесь нет проблем, связанных с несбалансированными токами во внешнем проводнике питающего кабеля. Еще одно ее достоинство — невысокое эффективное сечение рассеяния для волны, падающей со стороны свободного пространства. Это обстоятельство особенно важно для случаев, когда объект находится в ближней зоне антенны и паразитные переотражения между ними имеют существенное значение. В качестве согласующего элемента и возбудителя антенны использовался возбудитель Маршана четвертого порядка [4], рассчитанный также методом конечных элементов. Переход Маршана представляет собой по сути полосно-пропускающий чебышевский фильтр, построенный на четвертьволновых отрезках микрополосковой и щелевой линии с различными волновыми сопротивлениями [5]. Поскольку на его входе и выходе использованы различные типы линий, данное устройство и выполняет одновременно две функции — перехода и фильтра, также рассчитанного методом конечных элементов и представляющего собой комбинацию по-лосков и щелей, обеспечивающих плавный переход от кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом к 130 Ом в начале перехода щели в излучающую часть антенны. Для снижения отражения от раскрыва использованы поглотители. Спроектированные возбудители для обеих антенн показывали значение параметра 5И не хуже — 17—20 дБ во всей полосе частот.
Диаграммы направленности изготовленных антенн измерялись в без-эховой камере с использованием векторного анализатора типа НР8722С. Расстояние между тестируемыми антеннами составляло 9 м.
Как видно на рис. 1 а, спиральная антенна имеет более широкую диаграмму направленности. Это создает некоторые трудности экранировки
сигнала, проникающего из антенны в антенну по поверхности объекта контроля, так как антенны устанавливаются в непосредственной близости от земли. Ширина главного лепестка диаграмм направленности спиральных антенн и антенн Вивальди по нулевому уровню и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.