ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ГЕОРАДАРА
CENTRAL ELEMENT OF GEORADAR ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антеннам, используемым в составе антенных решеток подповерхностных георадаров, работающих в сверхширокополосном (СШП) диапазоне частот. Такая антенна может быть использована в качестве центральной, как правило, излучающей антенны. Специфическая диаграмма направленности заявляемой антенны позволяет размещать остальные, как правило, приемные, элементы антенной решетки вокруг нее, снизить влияние поверхностных отражений и переотражений на работу георадара. Конструкция антенны позволяет согласовать подводящий фидер с антенной и антенну со свободным пространством.
Известны [1] различные типы антенн, использующиеся для излучения СШП сигналов.
Недостатками таких антенн являются сложность согласования симметричной антенны с, как правило, асимметричным кабелем, а также то, что их диаграмма направленности имеет центральный лепесток в направлении излучения, что затрудняет возможность их использования при подповерхностном зондировании с использованием антенных решеток.
Известен [2] переход для соединения коаксиального кабеля с линией передачи поверхностной волны, выполненный в виде расширяющегося электропроводящего рупора, соединенного узкой частью с оплеткой коаксиального фидера, а центральный провод фидера проходит вдоль оси рупора.
Такое согласующее устройство конструктивно схоже с заявляемой антенной, но является не антенной, а лишь однопроводной линией передачи и, таким образом, не может быть использовано для решения поставленной задачи.
Наиболее близкой к заявляемой антенне является волноводно-рупорный излучатель - рупорная антенна, выполненная в виде расширяющегося электропроводящего рупора, соединенного узкой частью с одной стороной трубчатого электропроводящего волновода, противоположная сторона которого соединена с оплеткой коаксиального фидера, центральный провод коаксиального фидера расположен внутри волновода.
Диаграмма направленности такой антенны в плоскости имеет классическую форму в виде центрального лепестка, направленного по оси рупора, и боковых лепестков. Заметим, что в пространстве диаграмма направленности такой антенны асимметрична.
При исследовании георадарами малозаглубленных подповерхностных объектов с использованием импульсных (СШП) радиолокационных сигналов направление излучения зондирующих сигналов, см. фиг.1, ортогонально исследуемой поверхности, что приводит к их отражениям от поверхности среды, переотражениям от антенны, совпадающим по времени с сигналами, полученными от подповерхностного объекта, и другим нежелательным последствиям, влияющим на качество и точность измерений.
Для решения этой проблемы прибегают к наклонному зондированию, см. фиг.2, при котором излучающая антенна и приемная антенны располагаются под углом к поверхности среды. В этом случае сигналы, отраженные от поверхности среды, в излучающую и в приемную антенну или не попадают, или попадают в ослабленном виде.
При использовании в георадарах антенных решеток, см. фиг.3, применение наклонного зондирования порождает множество проблем: вычислительных, технических и т.д. В частности, отражения от поверхности среды попадают в соседние элементы решеток, вызывая нежелательные помехи, расчетные формулы становятся сложными из-за геометрии решетки.
Наиболее интересным, см. фиг.4, представляется сочетание наклонного зондирования с использованием схемы, в которой элементы антенной решетки 4 (как правило, приемные) расположены вокруг центральной (как правило, излучающей) антенны 1. Для исключения влияния отражений от поверхности среды 2 необходимо, чтобы излучающая антенна 1 не имела в диаграмме направленности центрального лепестка.
Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является создание центрального элемента антенной решетки георадара, т.е. излучающей антенны, имеющей диаграмму направленности без центрального лепестка, а также создание условий для согласования коаксиального фидера, подводящего электромагнитную энергию к антенне, со свободным пространством.
Для решения поставленной задачи по п.1 формулы изобретения центральный элемент антенной решетки георадара выполнен в виде расширяющегося электропроводящего рупора, соединенного узкой частью с оплеткой коаксиального фидера, при этом центральный провод фидера продлен по оси рупора до его раскрыва. Для более точного согласования центрального и внешнего проводников длина центрального провода должна быть несколько увеличена по сравнению с указанной выше так, чтобы электрическая длина рупора и центрального проводника совпадали. Такое изменение длины влияет как на качество согласования антенны со свободным пространством, так и на форму диаграммы направленности.
По п.2 формулы изобретения центральный провод фидера внутри рупора выполнен в виде расширяющегося электропроводящего конуса.
Существенными отличиями заявляемой антенны являются:
По п.1 формулы изобретения центральный провод фидера продлен по оси рупора до его раскрыва. Такое решение обеспечивает получение желаемой диаграммы направленности и обеспечение согласования фидера со свободным пространством.
В прототипе центральный провод фидера заканчивается в узкой части рупора.
По п.2 формулы изобретения центральный провод фидера внутри рупора выполнен в виде расширяющегося электропроводящего конуса.
В прототипе форма центрального проводника не рассматривается.
Заявляемую антенну иллюстрируют следующие чертежи.
Фиг.1 - Схема распространения излученных и отраженных СШП сигналов.
Фиг.2 - Наклонное зондирование с одной приемной антенной.
Фиг.3 - Наклонное зондирование с антенной решеткой.
Фиг.4 - Зондирование с антенной, имеющей только боковые лепестки,
где 1 - излучающая антенна, 2 - поверхность среды, 3 - подповерхностный объект, 4 - приемные антенны.
Фиг.5 - Диаграмма направленности заявляемой антенны по п.1 формулы изобретения.
Фиг.6 - Диаграмма направленности заявляемой антенны по п.2 формулы изобретения,
где 5 - оплетка коаксиального фидера, 6 - центральная жила коаксиального фидера, 7 - конический рупор, 8 - продолжение центральной жилы коаксиального фидера, 9 - продолжение центральной жилы коаксиального фидера, выполненной в виде конуса.
Фиг.7 - Вариант расположения элементов антенной решетки.
Диаграмма направленности заявляемой антенны вследствие структуры поля на ее раскрыве представляет собой произведение диаграммы направленности вибратора (центральный проводник) и диаграммы направленности рупорной антенны (конус рупора).
Волновое сопротивление коаксиальной линии определяется по формуле:
где z - волновое сопротивление коаксиальной линии;
µ - относительная магнитная проницаемость среды заполнения коаксиальной линии;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды заполнения коаксиальной линии;
b - диаметр внешнего проводника коаксиальной линии;
а - диаметр центрального проводника коаксиальной линии.
0
0
0
Заявляемая антенна - рупор с центральным проводником по п.1 формулы изобретения - представляет собой коаксиальную линию с ТЕМ волной, у которой диаметр внешнего проводника увеличивается по длине рупора. Это приводит к тому, что волновое сопротивление рупора также увеличивается по его длине. Закон изменения волнового сопротивления определяется законом изменения диаметра и может быть установлен практически любым требуемым. В заявляемой антенне для согласования требуется, чтобы волновое сопротивление рупора плавно изменялось от значения, равного волновому сопротивлению питающего коаксиального кабеля, до значения, соответствующего волновому сопротивлению свободного пространства. Волновое сопротивление свободного пространства z=120π при ε=µ=1. Таким образом, для выполнения условия согласования по волновому сопротивлению достаточно выполнить следующее условие:
.
При диаметре центрального проводника 0,9 мм диаметр конуса рупора должен быть равен 482 мм. При этом отношение диаметра рупора на раскрыве антенны к длине волны (для СШП сигнала - к пространственной длительности импульса) должно быть не менее 2, а лучше - 3…4.
Если это условие не выполняется, то по п.2 формулы изобретения необходимо пропорционально увеличить диаметр центрального проводника на раскрыве антенны, то есть величину b. При этом при том же размере подводящего фидера центральный проводник необходимо выполнить в виде рупора, см. фиг.6, с образующей той или иной формы, в простейшем случае - линейной.
Длина рупора определяется требуемым значением коэффициента отражения: чем длиннее рупор, тем коэффициент отражения меньше. Обычно достаточно угла при вершине в 40-20°. При этом достигается разумный компромисс между геометрическими размерами рупора и его коэффициентом отражения. Кроме того, усложняя по сравнению с линейной форму образующей конуса, можно изменять желаемым образом значение коэффициента отражения по длине рупора.
Таким образом, для решения задачи согласования рупора с питающим фидером и со свободным пространством нужно выбрать соответствующий закон изменения диаметра b рупора и диаметра центрального проводника а по его длине.
Кроме того, задачу согласования антенны с питающим фидером и со свободным пространством, а также получения требуемого распределения коэффициента отражения по длине рупора можно решать, применяя однородное или неоднородное заполнение внутреннего пространства рупора материалами с различными диэлектрическими и/или магнитными свойствами.
На фиг.7 приведен вариант расположения элементов антенной решетки георадара. Заявляемая излучающая антенна 1 расположена в центре, а приемные антенны 4 - вокруг нее. При таком расположении элементов решетки появляется возможность каждый СШП импульс, излученный антенной 1, принять всеми элементами 4 решетки и получить за счет этого информацию о подповерхностном объекте без относительного перемещения антенн.
Таким образом, заявляемая антенна - центральный элемент антенной решетки георадара - позволяет исключить влияние отражений от поверхности среды и согласовать подводящий фидер с антенной и со свободным пространством.
Источники информации
1. Proceedings of 2000 Antenna Application Symposium, Allerton Park, Montichello, Illinois, September 20-22, 2000, p.55-82. http://www.viy.com.ua/download/pub/11.pdf.
2. AC СССР №652631.
3. Патент RU 2019008.