Design of a High Efficiency Monopole Antenna Array for GPR Application

Abstract

Протягом останніх кількох років програми дистанційного зондування, радари та зображення використовували технологію ультраширокого діапазону (UWB). У роботі представлено параметричне дослідження монопольних антен для систем георадара (GPR). Запланована антена має неповну площину заземлення та дві круглі випромінювальні зони, відомі своїм компактним дизайном, помітним високим коефіцієнтом підсилення та високою ефективністю. Крім того, він забезпечує вигідну пропускну здатність. Запропонована конструкція антени демонструє її придатність для низьких частот, пояснюючи її компактними розмірами та підкреслює вимогу до великої смуги пропускання і високого підсилення для досягнення оптимальної роздільної здатності зображення. У статті описано методологію проектування та моделювання монопольної антени, розробленої спеціально для застосування в георадарах (GPR). У цьому дизайні була використана підкладка Roger RT Duroid 5880, яка характеризується відносною діелектричною проникністю 2,2; висотою h = 1,575 мм і тангенсом втрат 0,0009. Розміри підкладки мініатюрні до 42 мм x 40 мм x 1,575 мм. Результати для антени отримані за допомогою програмного забезпечення технології комп’ютерного моделювання CST. Запропонована антенна решітка демонструє добрі характеристики на робочій частоті 5,6 ГГц, з коефіцієнтом відбиття – 46 дБ, смугою пропускання 1,6 ГГц, коефіцієнтом посилення 8,302 дБ, VSWR = 1.009 і ККД 99,9 %. Отримані результати є висококонкурентоспроможними, що свідчить про те, що запропонована антена має хороші можливості для виконання вимог, пов’язаних із застосуванням георадара (GPR).

Over the past few years, remote sensing, radar, and imaging applications have all utilized Ultra-Wideband (UWB) technology. This work provides a parametric study on monopole antennas for Ground Penetrating Radar (GPR) systems. The intended antenna has an incomplete ground plane and two circular radiating patches, known for their compact design, notable high gain, and high efficiency. Furthermore, it provides an advantageous bandwidth. The suggested antenna design show-cases its appropriateness for lower frequencies, attributed to its compact dimensions. The proposed design for antenna characteristics in ground-penetrating radar systems emphasizes a requirement for large bandwidth and high gain to achieve optimal image resolution. This article delineates the design methodology and simulation of a monopole antenna developed specifically for applications in Ground Penetrating Radar (GPR). In this design, we utilize the Roger RT Duroid 5880 substrate, characterized by a relative permittivity of 2.2, a height (h) of 1.575 mm, and a loss tangent of 0.0009. The dimensions of the substrate are miniaturized to 42 mm x 40 mm x 1.575 mm. The antenna results are obtained using CST computer simulation technology software to derive the results for this antenna, and the simulations yielded favorable outcomes. The proposed array antenna demonstrates commendable characteristics at an operating frequency of 5.6 GHz, with a reflection coefficient (S11) of – 46 dB, a bandwidth of 1.6 GHz, a gain of 8.302 dB, VSWR of 1.009, and an efficiency of 99.9 %. The obtained results are highly competitive, suggesting that the proposed antenna is well-positioned to fulfill the requirements associated with Ground Penetrating Radar (GPR) applications.