Приборы и техника эксперимента, 2022, № 3, стр. 152-158

ВВЕДЕНИЕ

Антенны Вивальди способны работать в широком частотном диапазоне, что достигается благодаря расширяющейся щелевой линии передачи [1, 2]. Антенны Вивальди имеют симметричный главный лепесток, хорошее усиление и низкий уровень боковых лепестков. В отличие от спиральных, логопериодических антенн и антенн “бабочка”, излучатели Вивальди при парном соединении позволяют формировать излученные сигналы с линейной, круговой и эллиптической поляризацией и выполнять прием рассеянных сигналов [3, 4]. Антенны Вивальди получили широкое распространение при реализации беспроводных систем связи. Еще одной областью применения антенн Вивальди является подповерхностная радиолокация, в цели которой входят определение состояния почвогрунтов, обнаружение и реконструкция объектов, размещенных в подповерхностных средах [5]. Направленные свойства и дисперсионные характеристики излучателя Вивальди зависят от формы излучателя, а в случае подповерхностного радиолокационного зондирования на энергетические характеристики излучателя будут оказывать влияние почвогрунты. Зондируемые подповерхностные среды представляют собой сложные объекты, у которых комплексная диэлектрическая проницаемость ε = ε' – iε", тангенс диэлектрических потерь tgδ и электропроводность σ зависят от материала среды, частоты электромагнитного поля, плотности, пористости, влажности и температуры [6].

Целью данной работы является разработка конструкции антенны Вивальди для подповерхностного радиолокационного зондирования, численный расчет параметров антенны в условиях различной влажности почвогрунтов и экспериментальное исследование характеристик лабораторного образца антенны.

КОНСТРУКЦИЯ АНТЕННЫ

Излучатель Вивальди антиподального типа конструктивно представляет собой печатный излучатель, построенный на основе щели с экспоненциальным профилем [7]:

где W_IN – ширина щелевой линии в области возбуждения, W_OUT – ширина щелевой линии на выходе антенны, L_S – длина нерегулярной щелевой линии.

Конструкцией георадаров предусматривается использование сменных антенных блоков, выполняющих подповерхностное радиолокационное зондирование в диапазоне частот от 25 до 1700 МГц [5]. Низкочастотные антенны используются при проведении инженерно-геологических работ и обследовании объектов на глубинах до 10–30 м с разрешением по глубине 0.5–2 м. Высокочастотные антенны позволяют проводить детальные исследования приповерхностных слоев с разрешением по глубине 3–5 см, а также выявлять металлические включения при зондировании бетонных строительных конструкций. Подповерхностное радиолокационное зондирование на центральных частотах 400 и 700 МГц позволяет провести исследование инженерно-геологических элементов почвогрунтов, диагностику состояния находящихся в эксплуатации подземных сетей коммуникации и измерение длины железобетонных свай, установленных в грунт [4, 5].

Рассмотрим применение антенны Вивальди для работы в составе георадара в диапазоне частот 400–750 МГц. Обоснуем выбор толщины подложки. Согласно работе [8], требование к эффективной толщине t_эф подложки антенн с расширяющейся щелью определяется как

где λ₀ – длина волны в свободном пространстве, t – толщина подложки, а ɛ_r – диэлектрическая проницаемость подложки.

Условие направленной передачи сигналов антеннами с расширяющейся щелью имеет вид

Нижняя граница в формуле (4) связана с резким уменьшением коэффициента направленного действия антенны, а превышение верхней границы приводит к появлению нежелательных мод в подложке, которые способствуют увеличению боковых лепестков в диаграмме направленности антенны.

Для работы излучателя Вивальди в выбранном диапазоне частот в качестве материала подложки можно использовать стеклотекстолит толщиной 3 мм с диэлектрической проницаемостью ɛ_r = 5. Выполним параметрический синтез топологии излучателя Вивальди, направленный на достижение минимальных значений коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН < 2) с учетом требований по формированию направленных свойств излучателя в ближней зоне. В качестве подповерхностной среды выберем сухой песок (ε = 4.6 и σ = 0.002 См/м). Ниже приведены результаты численного расчета параметров топологии излучателя:

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВОГРУНТОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕННЫ ВИВАЛЬДИ

Подповерхностная среда оказывает существенное влияние на характеристики антенны Вивальди. Частотные зависимости электрофизических параметров дерново-подзолистой почвы, песка и глины определяются содержанием влаги и наличием солей [6]. У сухих почвогрунтов частотная дисперсия параметров ε' и tgδ в диапазоне частот 50–3.5 ГГц отсутствует.

На рис. 1 приведена рассчитанная 3D-диаграмма направленности антенны Вивальди при контактном излучении в песок (ε = 4.5, tgδ = = 0.065) и умеренно влажную глину (ε = 13, tgδ = = 0.33). Сравнение рис. 1а и рис. 1б демонстрирует деформацию главного лепестка диаграммы направленности, обусловленную значительной электропроводностью умеренно-влажной глины и возникающими при этом потерями электромагнитных волн.

Увеличение влажности дерновых почвогрунтов практически во всех случаях приводит к сужению главного лепестка диаграммы направленности излучателя Вивальди, одновременно с этим увеличивается коэффициент направленного действия, который учитывает степень рассогласования с линией питания. Результаты численного моделирования свидетельствуют, что при изменении влажности песка, дерна и глины от 2 до 30% главный лепесток диаграммы направленности излучателя на частоте 600 МГц в плоскости подложки антенны сужается до 45° (рис. 2а), коэффициент направленного действия увеличивается до 7.5–9 (рис. 2б), а коэффициент Front-to-Back уменьшается до 2–3 (рис. 2в).

Анализ характеристик антенны Вивальди при излучении в воду (ε = 81) показывает, что возникающая рассогласованность при излучении и значительная электропроводность морской воды являются основными причинами, затрудняющими глубоководное зондирование водоемов. При излучении в морскую воду уровень главного лепестка диаграммы направленности антенны оказывается меньше уровня обратного излучения, если конструкцией антенны не предусмотрен экран между излучателем и воздушной полусферой. В табл. 1 приведены результаты численного расчета влияния электропроводности воды на характеристики антенны Вивальди.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что дерновые почвогрунты и вода влияют практически на все характеристики излучателя Вивальди. Наиболее благоприятной средой для подповерхностного зондирования является песок, на рис. 3 для него приведены диаграммы направленности, рассчитанные для частоты 600 МГц в зависимости от влажности песка.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕННЫ

Установка предназначена для измерения дисперсионных и энергетических характеристик антенн в диапазоне частот от 10 МГц до 18 ГГц. В состав установки входит скалярный анализатор Р2М-18 [9], который может работать в качестве индикатора мощности. Для управления Р2М-18 и отображения результатов измерений используется программа P2M под управлением операционной системы Microsoft Windows.

Р2М-18 имеет сверхвысокочастотные (с.в.ч.) входы и выход:

– вход “A” – (по умолчанию) для подключения датчика коэффициента стоячей волны (КСВ);

– вход “B” – (по умолчанию) для подключения детектора;

– вход “R” – (по умолчанию) для подключения детектора опорного сигнала в режимах измерений “A/R” и “В/R”;

– “СВЧ” – выходной разъем генерируемых с.в.ч.-колебаний.

Технические характеристики анализатора Р2М-18:

– диапазон рабочих частот – от 10 МГц до 18 ГГц;

– полоса качания частоты – от 0.001 до 3990 МГц;

– уровень мощности на выходном разъеме “СВЧ” – ±10 дБм;

– диапазон измерений КСВН – от 1.05 до 5.00;

– диапазон измерений модуля коэффициента передачи – не менее 50;

– пределы допускаемой погрешности измерения КСВН при ${{К}_{{СТ}}}$ ≤ 2 – не более $ \pm (3{{К}_{{СТ}}} + 1)$%, где ${{К}_{{СТ}}}$ – измеряемое значение КСВН;

– пределы допускаемой погрешности измерения модуля коэффициента передачи – не более $ \pm (0.03А + 0.2)$ дБ, где А – измеряемое значение коэффициента передачи.

Фотография установки для измерения дисперсионных характеристик антенны Вивальди приведена на рис. 4.

Характеристики датчика Д_КСВ:

– максимальный уровень входной мощности – 500 мВт;

– вносимые потери – 6.5 дБ;

– направленность – 35 дБ;

– КСВН измерительного входа – не хуже 1.2.

На рис. 5 приведены измеренные дисперсионные характеристики антенны Вивальди при зондировании в воздушную полусферу и песок.

Для измерения направленных свойств и коэффициента усиления исследуемой антенны традиционно применяют измерительную антенну. Последнюю при этом используют на излучение, а исследуемую антенну – на прием. Совокупность измерений уровней принятых сигналов, полученных при угловых перемещениях приемной антенны, позволяет построить диаграмму направленности. На основе абсолютных измерений уровней излученного и принятого сигналов можно определить коэффициент усиления испытываемой антенны. В случае исследования антенны Вивальди в силу ее широкой полосы рабочих частот можно провести измерение коэффициента усиления не на одной частоте, а на нескольких. Для этого измерительная антенна должна иметь узкий диапазон рабочих частот с возможностью перестройки центральной частоты.

Фотография лабораторной установки для исследования энергетических характеристик антенны Вивальди приведена на рис. 6.

Характеристики детекторной секции:

– максимальный уровень входной мощности – 100 мВт;

– динамический диапазон – от –50 до +16 дБм;

– неравномерность частотной характеристики – 1 дБ;

– КСВН измерительного входа – не хуже 1.15.

Излучающий четвертьволновый вибратор, оснащенный плоским контррефлектором и имеющий два плеча в форме медных круглых стержней с изменяемой длиной, устанавливается на неподвижном штативе и подключается к разъему “СВЧ” скалярного с.в.ч.-анализатора. Коэффициент усиления четвертьволнового вибратора составляет 2.2 дБ.

Приемная антенна Вивальди устанавливается на подвижном штативе и с помощью коаксиального кабеля подключается ко входу выносной детекторной секции. Для измерения диаграммы направленности антенна Вивальди поворачивается вокруг оси в плоскости подложки, что обеспечивает снятие зависимости мощности принятого сигнала от угла поворота.

При измерении коэффициента усиления антенны Вивальди ее необходимо установить в угловое положение, соответствующее максимальному уровню принятого сигнала мощностью Р_пр, дБм. Расчет коэффициента усиления G_АВ, дБ, антенны Вивальди выполняется по формуле

где P_изл, дБм – мощность сигнала с разъема “СВЧ”; G_ЧВ, дБ – коэффициент усиления четвертьволнового вибратора; $({{\dot {\eta }}_{{АВ}}} + {{\dot {\eta }}_{{ЧВ}}})$, дБ – потери в коаксиальных кабелях; 2W, дБ – потери сигнала по радиоканалу: где ${{\lambda }}$ – длина волны, R = 1 м – расстояние между излучающей и приемной антеннами.

На рис. 7 приведено окно программы Р2М, с использованием которой выполнено измерение уровня принимаемого сигнала на частоте 708 МГц.

Характеристики антенны Вивальди:

– полоса рабочих частот – 320–760 МГц;

– ширина главного лепестка диаграммы направленности в плоскости подложки:

 при излучении в песок – 50°,

 при атмосферном приеме – 55°;

– коэффициент усиления:

 при излучении в песок на частоте 600 МГц – 5.8 дБ,

 при атмосферном приеме на частоте 520 МГц – 4.3 дБ;

 при атмосферном приеме на частоте 610 МГц – 4.5 дБ;

 при атмосферном приеме на частоте 708 МГц – 4.1 дБ;

– уровень боковых лепестков –12 дБ;

– габариты – 600 $ \times $ 600 $ \times $ 3 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Энергетические характеристики антенны Вивальди позволяют использовать ее в составе радиолокатора подповерхностного зондирования. При контактном излучении в сухой песок ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны антиподального типа в плоскости подложки достигает 50°, а уровень боковых лепестков составляет  –12 дБ. При изменении влажности дерновых почв от 2 до 30% главный лепесток диаграммы направленности антенны на частоте 600 МГц в плоскости подложки сужается до 45°, коэффициент направленного действия увеличивается до 7.5–9. При излучении в речную воду уровень боковых лепестков антенны возрастает до  –3.2 дБ.

Использование скалярного с.в.ч.-анализатора Р2М-18 позволяет выполнить измерение дисперсионных и энергетических характеристик антенны Вивальди. Диапазон рабочих частот лабораторного образца антенны при излучении в песок составляет 320–760 МГц. Коэффициент усиления антенны при атмосферном приеме радиосигналов с частотами 520–708 МГц изменяется в пределах 4.1–4.5 дБ.