Всех приветствую. На связи Тимур Гаранин.

Недавно мне довелось разрабатывать антенну для георадара. Считаю, Вам будет интересно и полезно узнать, как это было.

Начнём с того, что такое георадар. Георадар – это прибор для сканирования почвы. Обычно содержит две антенны. Передающая антенна посылает сигнал в почву, а приёмная антенна улавливает сигнал, отражённый от закопанных объектов.

Распространены георадары двух типов: импульсные, требующие большей мощности и обладающие относительно плохой проницаемостью, и с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), требующие меньшей мощности, обладающие лучшими проникающими свойствами, но нуждающиеся в широкополосных антеннах.

Необходимо было разработать антенну именно для ЛЧМ георадара.

Техническое задание было следующим:

Разработать антенную пару (передающая и приёмная) для полосы частот: 400-800 МГц

Источник сигнала: CVCO55CW-0400-0800

Мощность: 5-10 dBm (3-10 мВт)

Выходное сопротивление источника: 50 Ом

Диаграмма направленности: однонаправленная (без заднего и боковых лепестков)

Дополнительные требования: компактность, максимальная простота и дешевизна в изготовлении, возможность монтажа источника сигнала (генератора) непостредственно на корпусе антенны, изготовление пары антенн на одной плате.

Для ЛЧМ георадаров часто применяют антенны бабочка, которые обладают посредственными частотными свойствами и ДН, а также антенны Вивальди в рупорообразном корпусе, которые будут иметь просто грандиозные размеры, исходя из длин волн.

Из всех существующих на сегодняшний день широкополосных антенн только спиральные антенны с рефлектором отвечают требованию однонаправленной диаграммы направленности без боковых и заднего лепестков, обладают хорошим сопротивлением излучения, достаточной детализацией по частотам и компактностью, а также весьма полезным свойством фильтрации прямого и отражённого сигнала.

Габариты плоской спиральной антенны определяются длинами волн нижней частоты (периметр внешних витков). Длина внутренних витков определяется длиной волны верхней частоты диапазона.

λн = c / fн = с / 400 МГц = 74.95 см – окружность внешнего витка без учёта коэффициента укорочения.

λв= c / fв = с / 800 МГц = 37.47 см – окружность внутреннего витка без учёта коэффициента укорочения.

Диаметр внутреннего витка: Dвнутр = 11.927 см

Диаметр внешнего витка: Dвнеш = 23.857 см

Для гарантированного захвата заданного диапазона частот возьмём Dвнутр = 11 см, Dвнеш = 24 см

Предварительно определим, что спираль будет однозаходная, т.к. у однозаходных спиралей входное сопротивление меньше, чем у двухзаходных. Это нам пригодится при согласовании антенны.

Примерный вид передающей антенны с достаточной детализацией по частотам будет выглядеть следующим образом.

Поляризация правая. Диаметр внутреннего витка – не более 11 см, диаметр внешнего витка – не менее 24 см.

Так как мощности измеряются миливаттами, исполнение в форме дорожек на печатной плате является приемлемым. Толщина дорожек рекомендуется равной расстоянию между дорожками.

8 витков спирали обеспечивают достаточную детализацию по частотам. Точка подключения находится в начале наименьшего витка.

Приёмная антенна может быть выполнена аналогичным образом. Но важным параметом является поляризация приёмной антенны. Так как мы работаем с отражённым сигналом, а не с прямым, то поляризация приёмной антенны должна быть зеркальной относительно поляризации передающей.
Т.е. поляризация приёмной антенны в нашем случае – левая.

Однако классическая архимедова (арифметическая) спираль не подходит для нашего ТЗ в силу следующих недостатков:

• Высокое входное сопротивление: 200 Ом для двухзаходных спиралей, 130-150 Ом – для однозаходдных;
• Необходимость в отдельном согласующем устройстве;
• Неперестраиваемость по входному сопротивлению;
• Отражение от конца полотна (ухудшение КСВН) на нижнем участке частотного диапазона.

Далее расскажу, как эти недостатки были успешно решены, оптимально для заданных в ТЗ условий.

Обычно для согласования высокого входного сопротивления спиральных антенн и низкого сопротивления кабеля используются полосковые экспоненциальные трансформаторы сопротивления:

Они выполняются на отдельной плате, что противоречит условию компактности и простоты. А также они являяются неперестраиваемыми, и не позволяют после изготовления антенны и трансформатора найти оптимальные параметры.

Благо, у нас есть возможность разместить согласующий полосковый трансформатор прямо на плате, т.к. центральная часть платы у нас не занята витками.

Разместим согласующий отрезок в центральной части платы:

Белой точкой обозначено место подключения фидера (сквозное отверстие на плате)

Длина плосокового трансформатора составляет более, чем половину длины волны самой высокой частоты, и, соответственно, четверть длины волны самой низкой частоты. Такой длины согласующего отрезка должно быть достаточно для согласования входного сопротивления антенны во всей полосе частот.

В отличие от неперестраиваемых трансформаторов у нас появляется возможность регулировать входное сопротивление антенны путём изменения расстояния от полотна антенны и согласующего отрезка до экрана.

Уменьшение расстояния от полотна до экрана увеличивает ёмкость полоскового трансформатора, тем самым уменьшая входное сопротивление антенны.

И наоборот, увеличение расстояния между полотном и экраном уменьшает ёмкость полоскового трансформатора, увеличивая входное сопротивление.

Рисунок демонстрирует, как мы регулируем входное сопротивление антенны. При минимальном расстоянии до экрана мы получаем максимальную ёмкость согласующего отрезка и минимальное входное сопротивление. При удалении платы от экрана (не более 1/10 длины волны самой нижней частоты) мы уменьшаем ёмкость и увеличиваем входное сопротивление антенны.

Когда оптимальное расстояние будет определено, антенны будут производится уже с фиксированным расстоянием до экрана.

У спиральных антенн есть следующий недостаток:
На нижних частотах диапазона, когда задействуются внешние витки спирали, возникает нежелательное отражения сигнала от открытого конца полотна.

Перед Вами графики КСВН спиральных антенн с резким обрывом на конце полотна

Для смягчения отражения от открытого конца полотна часто применяют замедляющие структуры и резистивные/излучающие отрезки и согласующие ступеньки:

Иногда можно встретить очень длинные конечные линии задержки как в патенте 0002565524, где замедляющая структура занимает практически всё оставшееся место на плате:

Такое расположение замедляющей структуры кажется рациональным, и к тому же достоверно уменьшает отражение от конца полотна и расширяет полосу частот в нижнюю сторону.

Но есть способ избавится от отражённой волны без применения линий задержки и подобных полумер.

Для устранения любых отражений от конца полотна антенны бегущей волны применяют согласующий резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивлению полотна.

Как пример, согласование АБВ Бевереджа нагрузочным резистором.

Этот способ применяется тогда, когда мощность антенны достаточно низкая, чтобы была возможность использовать резистор без перегрева последнего.

В нашем случае мощность антенны измеряется миливаттами, поэтому такой подход оправдан и рационален.

Расположим согласующий резистор прямо на плате с антенной. Он будет размещён на конце спирали. При этом соединять его нужно с полотном антенны поверхностно, изолированно от экрана.

А другой конец резистора наоборот через сквозное отверстие необходимо соеденить с экраном.

Вообще-то рекомендуется нагрузочный резистор соединять с отдельной от экрана «землёй». Но в силу малого габарита устройства и нашего стремления к упрощению компоновки мы будем «заземлять» резистор прямо на экран.

Сопротивление однозаходной спиральной антенны может колебаться в диапазоне от 120 Ом до 150 Ом, в зависимости от расстояния до экрана. Сопротивление резистора должно соответствовать сопротивлению антенны. Если нет возможности точного подбора сопротивления резистора, рекомендуемое значение – около 130 Ом.

Мощность резистора должна быть не меньше мощности источника. Для данного ТЗ подходит даже четвертьваттный резистор.

Передающую антенну будем использовать с правой поляризацией (потому что во всём мире используется именно правая поляризация).

Но приёмную антенну мы будем делать с левой поляризацией, т.к. она будет принимать не прямой луч, а отражённый. При отражении круговая поляризация меняет направление на противоположное – правая поляризация зеркально преобразуется в левую.

Поэтому приёмная антенна будет представлять зеркальное отражение передающей антенны.

На рисунке показано предположительное взаимное расположение передающей (справа) и приёмной (слева) антенн, если они будут изготовливаться на одной плате.

Круговая поляризация выгодна тем, что антенны с левой поляризацией не будут улавливать сигнал с правой поляризацией. Т.е. наша приёмная антенна будет улавливать ислючительно отражённый сигнал, не реагируя на прямой.

Обе антенны (передающая и приёмная) будут иметь экраны. При этом экран будет подключён к корпусу передатчика, а также к нагрузочному резистору, согласующему конец полотна.

Так как антенны предположительно будут находиться на одной печатной плате, то их экраны будут либо расположены рядом, либо вообще будут представлять единый общий с корпусом конструктив.

В данном случае влияние передающей антенны на приёмную будет очень сильным.

Если требуется ослабить взаимное влияние антенн, их нужно располагать на разных платах удалённо друг от друга, антенны должны иметь отдельные экраны, при чём экраны должны подключаться к разной «земле», дабы не иметь ВЧ наводок.

В конечном счёте был реализован именно вариант с антеннами на отельных платах.

Исходя из приведенных выше выкладок, антенна имела сперва следующий конструктив:

• Две зеркально распложенных печатных антенны в форме арифметической спирали с диаметром наименьшего витка 11 см, наибольшего – 24 см, предположительно на одной плате;
• В центральной области каждой антенны расположен согласующий отрезок (экспоненциальный трансформатор) общей длиной не менее половины длины волны самой высокой частоты диапазона и четверти длины волны самой низкой частоты диапазона;
• С обратной стороны платы размещается сплошной металлический экран, полностью покрывающий площадь антенн;
• Центральный (сигнальный) проводник источника сигнала (генератора) подключается в начальную точку согласующего отрезка передающей антенны, не прикасаясь к экрану; так же подключается центральный проводник приёмника к приёмной антенне;
• Экраны антенн подключаются напрямую к корпусу передатчика и корпусу приёмника соответственно;
• Нагрузочный резистор подключается к концу полотна антенн поверхностным способом, а другим концом через сквозное отверстие в плате – к экрану. Мощность резистора – не меньше рабочей мощности антенны; согласно ТЗ допустимо использовать 0.25 Вт резисторы;
• Регулировать расстояние между платой и экраном, если потребуется, можно при помощи шайб, надетых на болты, скрепляющие плату и экран. Диаметры шайб, отверстий и болтов не критичны;

Однако позже этот конструктив был пересмотрен и в итоге решено делать антенны на отдельных платах, с экранами непосредственно на обратной стороне. Для этого допустимо использовать двусторонний стеклотекстолит.

Никаких болтов и шайб, максимальная простота. Расстояние между экраном и полотном определяется исключительно толщиной стеклотекстолита. Единственный элемент, требующий монтажа – резистор на конце спирали.

В двух словах:

• Антенны представляют собой зеркально расположенные арифметические/Архимедовы спирали;
• Экспоненциальные трансформаторы сопротивления размещены в центральных частях антенн;
• Для снижения отражения от конца полотна используется нагрузочный резистор;
• В конечной версии для уменьшения взаимного влияния антенны располагаются на двух отдельных платах с экранами на обратных сторонах листа

Есть и недостатки:

• Размер антенного блока более полуметра на четверть метра. Размер обусловлен длиной волны нижней частоты диапазона.

На данный момент антенны уже проходят этап изготовления и тестирования характеристик.

Ну как, друзья, было ли Вам интересно послушать о проектировании антенн для георадара?

Прошу делиться роликом, ставить лайки и писать в комментариях свои вопросы и предложения.

Всем удачи!