Design and Optimization of a Bowtie Antenna for Ground Penetrating Radar (GPR) System

Abstract

Місцезнаходження підземних об’єктів можна визначити за допомогою системи георадара. Георадар працює в діапазоні частот МГц і ГГц і використовує ультраширокосмугові (UWB) радарні системи. Ці системи використовуються для отримання значень високої роздільної здатності для точного виявлення об’єктів. Як правило, радіолокаційні системи UWB для технології георадару реалізуються з використанням різних типів антен, таких як рупорні антени TEM, конусні щілинні антени, спіральні антени, антени-метелик і антени Вівальді. Характеристики антени для георадарних систем повинні мати велику смугу пропускання для перевірки роздільної здатності зображення. У цій статті описано метод проектування та теоретичну концепцію антени-метелика, розробленої для георадара. Розмірні параметри антени змінюються, і їх вплив оцінюється, щоб проаналізувати її вплив на зворотні втрати та робочу смугу пропускання. Зазначена антена розроблена на недорогій підкладці FR-4 розмірами 520 мм x 240 мм. Антени-метелик були широко вивчені та використані для передачі та прийому електромагнітних хвиль. Перевагами використання цієї форми є висока ефективність випромінювання, тонкий профіль, проста конструкція та низька вартість виготовлення. Антени-метелик були досліджені та розроблені як приймачі і передавачі електромагнітних хвиль спеціального призначення. Нами розроблена і досліджена антена для діапазона частот від 0,1 до 3 ГГц, використовуючи інструмент електромагнітного моделювання в частотній області CST.

The location of underground objects can be determined by using Ground Penetrating Radar (GPR) system. The GPR operates in both MHz and GHz frequency band ranges and it uses ultra-wideband (UWB) radar systems. These systems are used to obtain high-resolution values for the accurate detection of objects. Typically, UWB radar systems for GPR technology are implemented using different types of antennas such as TEM horn antennas, cone slot antennas, helical antennas, bow-tie antennas, and Vivaldi antennas. The antenna characteristics required by ground penetrating radar systems must have a large bandwidth to check image resolution. This article describes the design method and theoretical conception of a bow-tie antenna that is developed for GPR applications. The dimensional parameters of the antenna are varied and their effects are judged in order to analyze its influence on return loss and operating bandwidth. The prescribed antenna is designed on a low-cost FR-4 substrate of 520 mm x 240 mm dimensions. Bow-tie antennas have been extensively studied and used to transmit and receive electromagnetic waves. The advantages of using this form are high radiation efficiency, thin profile, ease of manufacture and low manufacturing cost. Bow-tie antennas have been researched and developed as special-purpose electromagnetic wave receivers or transmitters. We have studied the dimensions of the antenna in the frequency range from 0.1 GHz to 3 GHz, using the electromagnetic simulation tool in the frequency domain CST.