UHF (aşırı yüksek frekans) bandında yere nüfuz eden radar uygulamaları için geniş bantlı anten tasarımı

Abstract

Yere Nüfuz Eden Radar (YNR) önemli bir uzaktan algılama yöntemidir. Bu yöntem yerin altını ve içinde yer alan nesneleri, beton blokların ve asfalt zeminlerin içlerini görüntüleme amacıyla kullanılır. Yere Nüfuz Eden Radarlar; yer altına gönderilen elektromanyetik sinyallerin, belirli katmanlara ya da nesnelere çarparak yansıyan kısımlarının toplanıp, bu sinyallerin işlenerek yer altının görüntülenmesi prensibine dayanır. Elde edilen bu bilgiler sayesinde hedefin derinliği, boyutları, şekli ve bulunduğu ortamın su yoğunluğu tespit edilebilir.Sistem performansı ortamın (toprak, asfalt, beton vs.) elektriksel kaybı ve gömülü cismin saçılma karakteristiği dikkate alınarak hesaplanan frekans bandı, verici gücü, anten kazancı, dinamik aralık gibi temel anten ve radar parametrelerine bağlıdır. Bu nedenle sistemin amacına göre YNR için kullanılacak antenin parametreleri hesaplanır ve bu analize göre tasarım gerçekleştirilir. YNR sistemleri; verici anten, alıcı anten, işlemci birimi ve görüntüleme birimlerinden oluşmaktadır. Bu tezde YNR sistemleri için kullanılabilecek bir anten türü olan Vivaldi anten tasarımından bahsedilmekte ve sistem performansının arttırılması için çeşitli yöntemler anlatılmaktadır. Yapılan çalışmalar sonucunda tasarlanan Vivaldi anten 0.5 GHz – 3 GHz bandında çalışabilmektedir. Tasarlanan antenin yan kulakçık seviyelerinin düşürülmesi amacıyla bir anten dizisi tasarlanmıştır. Doğrusal bir yapıya sahip olan bu anten dizisinde 8 adet Vivaldi anten aralarında en yüksek çalışma frekansındaki dalga boyunun yaklaşık yarısı kadar (65 mm) aralıklarla dizilmiştir. Bu çalışma sonucunda antenin 0.5 GHz, 1 GHz, 1.5 GHz, 2 GHz, 2.5 GHz ve 3 GHz'deki yan kulakçık seviyelerinde önemli bir azalma gözlenmesinin yanında, sistemin kazancı da artmıştır. Anten dizisinin geri yönlü ışımasının azaltılması amacıyla bir yansıtıcı plaka tasarlanmıştır. Bu yansıtıcı plaka anten dizisinin 170 mm arkasına yerleştirilmiştir. Tasarlanan bu yansıtıcı plaka ile birlikte antenin geri yönlü ışıma seviyesi azalmış ve ön-arka ışıma oranı 4-14 dB seviyelerine ulaşmıştır.

Ground Penetrating Radar (GPR) is an important remote sensing method. This method is used to detect underground and hidden objects inside concrete blocks and asphalt floors. Ground Penetrating Radars are based on the principle of electromagnetic reflection from different medium. The electromagnetic signal transmitted to the ground reflected back from some layers or objects are collected and processed to get underground images. This information can be used to determine the depth, size, shape, and water density of the target. A basic GPR system consists of a transmitting antenna, a receiving antenna, processing and imaging units. The system performance depends on the basic antenna and radar parameters such as frequency band, transmitter power, antenna gain, dynamic range. These parameters are calculated by keeping the electrical loss of environment (earth, asphalt, concrete etc.) and scattering characteristics of buried object into consideration. Therefore, first antenna parameters are calculated and analyzed according to GPR system requirements and then the design is simulated and optimized on the basis of these parametric analysis. In this thesis, Vivaldi antenna which is an antenna type that can be used for GPR systems is presented and various methods for improving system performance are explained. The optimized antenna is fabricated. The proposed Vivaldi antenna can operate in between 0.5 GHz to 3 GHz frequency band. An antenna array is designed to reduce the side lobes of the designed antenna. This linear antenna array consists of eight Vivaldi antenna elements which are arranged at intervals of approximately a half wavelength (65 mm) of the highest operating frequency. As a result of this study, the gain of the system has increased whereas side lobe levels of the antenna has reduced significantly for 0.5 GHz, 1 GHz, 1.5 GHz, 2 GHz, 2.5 GHz and 3 GHz frequencies of the operating band. A reflector plate is inserted to reduce the back lobe of the antenna array. This reflector plate has reduced the backward radiation level and the front to back ratio has reached 4-14 dB.