NL1014383C2

NL1014383C2 - Bow tie antenna.

Info

Publication number: NL1014383C2
Application number: NL1014383A
Authority: NL
Inventors: Andrian Andaya Lestari; Alexander Georgievich Yaravoy; Leonardus Petrus Ligthart
Original assignee: Stichting Tech Wetenschapp
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2001-08-16
Also published as: WO2001061784A1; AU2001236189A1

Description

VlinderdasantenneBow tie antenna

De uitvinding heeft betrekking op een vlinderdasantenne omvattende een invoerpunt voor uit te stralen energie, en vlakke tegenover elkaar opgestelde armen die tijdens gebruik ten minste een deel van de energie uitstralen die is 5 toegevoerd aan het invoerpunt, waarbij het invoerpunt gepositioneerd is tussen beide armen, en waarbij ieder van de armen een drager omvat en een elektrisch geleidend element dat daarop is aangebracht.The invention relates to a bow tie antenna comprising an input point for radiated energy, and flat opposed arms which emit during use at least part of the energy supplied to the input point, the input point being positioned between both arms, and wherein each of the arms comprises a carrier and an electrically conductive element mounted thereon.

Een dergelijke vlinderdasantenne is bekend uit de 10 praktijk, en wordt toegepast als bodempenetrerende radar, bijvoorbeeld in geologische toepassingen waarin gezocht wordt naar metaal, of welke dient voor het bepalen van het grondwa-terniveau of het bepalen van de aanwezigheid van leidingen of elektrische bedrading. Een andere toepassing is landmijnde-15 tectie. Dergelijke toepassingen vereisen dat de antenne is ingericht om in een breed spectrum te zenden en te ontvangen en dat natrillen (ringing) praktisch afwezig is.Such a bow tie antenna is known from practice, and is used as a ground penetrating radar, for instance in geological applications in which metal is searched, or which serves to determine the groundwater level or to determine the presence of pipes or electrical wiring. Another application is landmine-15 detection. Such applications require that the antenna is arranged to transmit and receive in a broad spectrum and that there is practically no ringing.

De uitvinding is erop gericht om een vlinderdasantenne te verschaffen met verbeterde eigenschappen met betrek-20 king tot de hoeveelheid uitgezonden energie en de onderdrukking van natrillen, en om verdere voordelen te bereiken welke uit de navolgende beschrijving duidelijk zullen worden.The invention aims to provide a bow tie antenna with improved properties with regard to the amount of energy emitted and the suppression of re-vibration, and to achieve further advantages which will become apparent from the following description.

In een eerste aspect van de uitvinding is de vlinderdasantenne erdoor gekenmerkt, dat ieder van de armen een 25 serie elektrisch geleidende elementen omvat die op de drager zijn aangebracht, en die gescheiden van elkaar op voorafbepaalde afstanden gelegen zijn zodanig dat tussen naburige elementen sleuven zijn gedefinieerd. De uitvinders zijn tot het inzicht gekomen dat deze sleuven een capacitieve belas-30 ting van het antenne-oppervlak opleveren, waarmee de reflectie van stromen aan de open uiteinden van de antenne wordt verminderd.In a first aspect of the invention, the bow tie antenna is characterized in that each of the arms comprises a series of electrically conductive elements mounted on the support, and which are spaced apart from each other at predetermined distances such that slots are defined between adjacent elements . The inventors have realized that these slots provide a capacitive load on the antenna surface, which reduces the reflection of currents at the open ends of the antenna.

Het is van voordeel gebleken dat de hart-tot-hartaf-stand van naburige elementen voor alle elementen gelijk is, 35 en verder dat de hart-tot-hartaf stand van naburige elementen 1014383 2 ongeveer gelijk is aan 0,02 maal de centrale golflengte van de uitgezonden energie.It has been found to be advantageous that the center-to-center distance of neighboring elements is the same for all elements, and further that the center-to-center distance of neighboring elements 1014383 2 is approximately equal to 0.02 times the central wavelength of the emitted energy.

In een tweede aspect van de uitvinding is de vlin-derdasantenne erdoor gekenmerkt, dat ieder van de sleuven een 5 breedte heeft die afhankelijk is van de afstand tot het in-voerpunt.In a second aspect of the invention, the flapper shaft antenna is characterized in that each of the slots has a width which depends on the distance from the insertion point.

De voordelen van de uitvinding worden in het bijzonder bereikt in de uitvoeringsvorm van de vlinderdasantenne in welke de breedte van naburige sleuven proportioneel toeneemt 10 met de afstand ten opzichte van het invoerpunt. Bij voorkeur is het verschil in breedte van naburige sleuven ongeveer gelijk aan 0,0005 maal de centrale golflengte van de uitgezonden energie.The advantages of the invention are particularly achieved in the embodiment of the bow tie antenna in which the width of adjacent slots increases proportionally with the distance from the input point. Preferably, the difference in width of adjacent slots is approximately equal to 0.0005 times the central wavelength of the emitted energy.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is de vlinder-15 dasantenne volgens de uitvinding erdoor gekenmerkt, dat de sleuf die het dichtst ligt bij het invoerpunt een afstand ten opzichte van dit invoerpunt heeft welke gelijk is aan ongeveer een vierde deel van de centrale golflengte van de uitgezonden energie. In deze uitvoeringsvorm is de vlinderdasan-20 tenne geoptimaliseerd teneinde een maximaal vermogen te kunnen uitzenden. De maximale amplitude van de energie die door de antenne wordt uitgezonden, bedraagt bijna twee keer zoveel als de maximum amplitude van de uitgestraalde energie van een vlinderdasantenne volgens de stand van de techniek.According to a preferred embodiment, the butterfly antenna according to the invention is characterized in that the slot closest to the input point has a distance from this input point which is approximately one quarter of the central wavelength of the emitted energy. In this embodiment, the bow tie-20 antenna is optimized to transmit maximum power. The maximum amplitude of the energy emitted by the antenna is nearly twice as much as the maximum amplitude of the radiated energy of a prior art bow tie antenna.

25 In een derde aspect van de uitvinding is de vlinder dasantenne erdoor gekenmerkt dat op haar oppervlak de antenne is voorzien van een laag van microgolfabsorberend materiaal dat de sleuven bedekt; een geschikt materiaal is bijvoorbeeld ECCOSORB AN-79 of enig ander materiaal met vergelijkbare ei-30 genschappen. De serie sleuven op de antenne-armen te zamen met de afdekking van het van sleuven voorziene oppervlak van de antenne door middel van een absorberend materiaal onderdrukt effectief enig overblijfsel van zogenaamd late-time ringing, en levert op deze wijze een responsie in het tijddo-35 mein op met een zeer vlakke staart die volgt op de hoofdgolf-vorm. In deze uitvoeringsvorm heeft bij voorkeur de sleuf die het dichtst ligt bij het invoerpunt een afstand ten opzichte van dit invoerpunt welke gelijk is aan ongeveer 0,4 maal de centrale golflengte van de uitgezonden energie, en is de 1014383 3 breedte van deze sleuf ongeveer gelijk aan 0,008 maal de genoemde centrale golflengte. Hiermee kan het laagste niveau van late-time ringing (natrillen) worden bereikt, hetgeen in het bijzonder bruikbaar is in toepassingen waarbij het niveau 5 van bodempenetratie een rol speelt.In a third aspect of the invention, the butterfly tie antenna is characterized in that on its surface the antenna is provided with a layer of microwave absorbing material covering the slots; a suitable material is, for example, ECCOSORB AN-79 or any other material with comparable properties. The array of slots on the antenna arms together with the cover of the slotted surface of the antenna by means of an absorbent material effectively suppresses any remnant of so-called late-time ringing, thus providing a response in time. 35 mein with a very flat tail that follows the main wave shape. In this embodiment, preferably the slot closest to the input point has a distance from this input point which is approximately 0.4 times the central wavelength of the emitted energy, and the width of this slot is approximately equal at 0.008 times the said central wavelength. This allows the lowest level of late-time ringing (reverberation) to be achieved, which is particularly useful in applications where the level of soil penetration plays a role.

De uitvinding zal nu worden toegelicht onder verwijzing naar fig. 1 welke een fotografische afbeelding toont van een prototype van een uitvoeringsvorm van de vlinderdasanten-10 ne volgens de uitvinding; fig. 2 welke een genormaliseerde tijddomein-respon-sie van de vlinderdasantenne volgens de uitvinding toont in vergelijking met de responsie van een vlinderdasantenne volgens de stand van de techniek; 15 fig. 3 welke een grafiek toont van de ontvangstge- voeligheid van de vlinderdasantenne volgens de uitvinding en een vlinderdasantenne volgens de stand van de techniek; en fig. 4 welke schematisch een tweede uitvoeringsvorm van de vlinderdasantenne volgens de uitvinding toont.The invention will now be elucidated with reference to Fig. 1 which shows a photographic depiction of a prototype of an embodiment of the bow-tie -ants according to the invention; Fig. 2 shows a normalized time domain response of the bow tie antenna according to the invention compared to the response of a prior art bow tie antenna; Fig. 3 shows a graph of the reception sensitivity of the bow tie antenna according to the invention and a bow tie antenna according to the prior art; and Fig. 4 which schematically shows a second embodiment of the bow tie antenna according to the invention.

20 Fig. 1 toont een bijzondere uitvoeringsvorm van de vlinderdasantenne volgens de uitvinding, welke een aantal sleuven op het antenne-oppervlak omvat, alsmede microgolfab-sorberende materialen welke gebruikt zijn om de gesleufde oppervlakken van de antenne te bedekken teneinde ongewenste 25 uitstraling van de sleuven te onderdrukken. Bij voorkeur neemt de breedte van de sleuven lineair toe gaande vanaf het invoerpunt naar de open uiteinden van de vlinderdas met stappen in de orde van grootte van 0,0005 maal de centrale golflengte van de uitgestraalde puls. De vlinderdasantenne vol-30 gens de uitvinding kan gebruikt worden in een frequentiebe-reik van 100 MHz tot 6 GHz met corresponderende golflengten van ten minste 5 cm. De sleuven zijn van elkaar gescheiden op constante gelijke hart-tot-hartafstanden van ongeveer 0,02 maal de centrale golflengte van de uitgezonden puls. Deze 35 sleuven bewerkstelligen een capacitieve belasting van het antenne-oppervlak welke de reflectie van stromen aan de (in fig. 1: links en rechts) open uiteinden van de antenne vermindert . De gesleufde vlinderdasantenne kan geoptimaliseerd worden teneinde het laagste niveau van late-time ringing (na- 1014383 4 trillen) te bereiken door keuze van een geschikte breedte van de eerste sleuf (de sleuf het dichtst liggend bij het invoer-punt) en een geschikte afstand tussen het invoerpunt en de eerste sleuf. Indien de afstand tussen het invoerpunt en de 5 eerste sleuf voldoende klein is, kan de uitgezonden puls gezien worden als een superpositie van twee verschillende pulsen die uitgezonden zijn door het invoerpunt en de eerste sleuf. Deze twee pulsen groeien samen in een enkele puls met een maximum amplitude welke meer bedraagt dan de maximum am-10 plitude van de puls die uitgezonden wordt door een vlinder-dasantenne volgens de stand van de techniek.FIG. 1 shows a particular embodiment of the bow tie antenna according to the invention, which includes a number of slots on the antenna surface, as well as microwave absorbers used to cover the slotted surfaces of the antenna to suppress unwanted radiation from the slots. Preferably, the width of the slots increases linearly from the insertion point to the open ends of the bow tie in steps of the order of 0.0005 times the center wavelength of the radiated pulse. The bow tie antenna according to the invention can be used in a frequency range of 100 MHz to 6 GHz with corresponding wavelengths of at least 5 cm. The slots are separated from one another at constant equal center-to-center distances of about 0.02 times the center wavelength of the emitted pulse. These slots effect a capacitive load on the antenna surface which reduces the reflection of currents at the open ends (in Fig. 1: left and right) of the antenna. The slotted bow tie antenna can be optimized to achieve the lowest level of late-time ringing (after 1014383 4 vibrations) by selecting an appropriate width of the first slot (the slot closest to the insertion point) and an appropriate distance between the insertion point and the first slot. If the distance between the input point and the first slot is sufficiently small, the emitted pulse can be viewed as a superposition of two different pulses emitted by the input point and the first slot. These two pulses coalesce in a single pulse with a maximum amplitude greater than the maximum amplitude of the pulse emitted by a prior art butterfly tie antenna.

De vlinderdasantenne volgens de uitvinding heeft een hoge stralingsefficiency en is in staat om tijdelijke korte pulsen uit te stralen met een zeer laag niveau van natrillen 15 of late-time ringing.The bow tie antenna according to the invention has a high radiation efficiency and is able to emit temporary short pulses with a very low level of re-vibration or late-time ringing.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding is de vlin-derdasantenne geconstrueerd zodanig dat de sleuf die het dichtstbij het invoerpunt ligt, een afstand heeft met betrekking tot dit invoerpunt die gelijk is aan ongeveer een vierde 20 van de centrale golflengte van de uitgezonden energie. In deze uitvoeringsvorm bedraagt de maximum amplitude van de uitgezonden puls bijna twee maal de waarde van de maximum amplitude van de uitgezonden puls van een vlinderdasantenne volgens de stand van de techniek.In one embodiment of the invention, the vinyder antenna is constructed such that the slot closest to the input point has a distance with respect to this input point equal to about a quarter of the central wavelength of the transmitted energy. In this embodiment, the maximum amplitude of the emitted pulse is almost twice the value of the maximum amplitude of the emitted pulse of a bow tie antenna according to the prior art.

25 In een tweede uitvoeringsvorm van de vlinderdasan tenne volgens de uitvinding in welke de late-time ringing zoveel als mogelijk is onderdrukt, heeft de sleuf die het dichtstbij het invoerpunt ligt, een afstand met betrekking tot dit invoerpunt die gelijk is aan ongeveer 0,4 maal de 30 centrale golflengte van de uitgezonden energie, en is de breedte van deze sleuf ongeveer gelijk aan 0,008 maal de genoemde centrale golflengte. In combinatie met de toepassing van microgolfabsorbers voor het afdekken van de sleuven ligt het niveau van late-time ringing in dit geval lager dan 35 -40 dB ten opzichte van de maximum amplitude.In a second embodiment of the butterfly tie antenna according to the invention in which the late-time ringing is suppressed as much as possible, the slot nearest the insertion point has a distance with respect to this insertion point equal to approximately 0.4 times the central wavelength of the emitted energy, and the width of this slot is approximately equal to 0.008 times the said central wavelength. In combination with the use of microwave absorbers to cover the slots, the level of late-time ringing in this case is less than 35 -40 dB from the maximum amplitude.

Fig. 4 toont schematisch de vlinderdasantenne volgens een voorkeursuitvoeringsvorm in exploded view. De vlinderdasantenne 1 omvat een invoerpunt 2 voor het uitzenden van energie en vlakke tegenover elkaar opgestelde armen 3 en 4 1014383 5 die tijdens gebruik ten minste een deel van de energie die bij het invoerpunt 2 is ingebracht, uitstralen. Zoals duidelijk getoond, is het invoerpunt 2 tussen de beide genoemde armen 3 en 4 ingelegen. Ieder van de armen 3 en 4 omvat een 5 drager in de vorm van een substraat en elektrisch geleidende elementen, bijvoorbeeld koperelementen die op de drager zijn aangebracht. Dit is zodanig uitgevoerd dat ieder van de armen 3 en 4 een serie van elektrisch geleidende elementen heeft die van elkaar gescheiden zijn op voorafbepaalde afstanden 10 teneinde sleuven tussen naburige elementen te definiëren, waarmee het resultaat wordt verschaft dat beide armen 3 en 4 voorzien zijn van oppervlakken met alternerende sleuven en geleidende elementen. Bij voorkeur is de hart-tot-hartafstand van naburige elementen gelijk voor alle elementen en bedraagt 15 deze ongeveer 0,02 maal de centrale golflengte van de uitgezonden energie. Verder heeft het de voorkeur dat ieder van de sleuven een breedte heeft die afhangt van haar afstand tot het invoerpunt 2, zodanig dat de breedte van naburige sleuven proportioneel toeneemt met hun afstand ten opzichte van dit 20 invoerpunt 2. In fig. 4 is de positie van de eerste sleuven 5 en 6 in ieder van de armen 3 en 4 geïndiceerd. De afstand van de sleuven 5 en 6 met betrekking tot het invoerpunt 2 is bij voorkeur ongeveer gelijk aan 0,4 maal de centrale golflengte van de uitgezonden energie en de breedte van deze meest na-25 bije sleuf is ongeveer gelijk aan 0,008 maal de centrale golflengte van de uitgezonden energie. De oppervlakken van de armen 3 en 4 op welke de alternerende sleuven en geleidende elementen zijn aangebracht, is afgedekt door een laag absorberend materiaal 7 en 8 welke de functie heeft de energie die 30 door de sleuven wordt uitgestraald, te absorberen.Fig. 4 schematically shows the bow tie antenna according to a preferred embodiment in exploded view. The bow tie antenna 1 includes an input point 2 for emitting energy and flat opposed arms 3 and 4 1014383 5 which emit at least a portion of the energy input at input point 2 during use. As is clearly shown, the insertion point 2 is inserted between the two mentioned arms 3 and 4. Each of the arms 3 and 4 comprises a support in the form of a substrate and electrically conductive elements, for example copper elements which are arranged on the support. This is arranged such that each of the arms 3 and 4 has a series of electrically conductive elements which are separated from each other at predetermined distances 10 to define slots between adjacent elements, thereby providing the result that both arms 3 and 4 are provided with surfaces with alternating slots and conductive elements. Preferably, the center-to-center distance of neighboring elements is the same for all elements and is approximately 0.02 times the central wavelength of the emitted energy. Furthermore, it is preferred that each of the slots has a width depending on its distance from the entry point 2, such that the width of adjacent slots increases proportionally with their distance from this entry point 2. In Fig. 4, the position of the first slots 5 and 6 in each of the arms 3 and 4 are indicated. The distance of the slots 5 and 6 with respect to the input point 2 is preferably approximately equal to 0.4 times the central wavelength of the emitted energy and the width of this closest slot is approximately equal to 0.008 times the central wavelength of the emitted energy. The surfaces of the arms 3 and 4 on which the alternating slots and conductive elements are arranged are covered by a layer of absorbent material 7 and 8 which has the function of absorbing the energy radiated through the slots.

Verwijzend nu naar fig. 2 worden de resultaten van de vlinderdasantenne in de vorm van de tijddomein-responsie getoond in een genormaliseerde grafiek waarbij de tijd op de x-as is aangegeven en de amplitude op de y-as. De tijddomein-35 responsie van de vlinderdasantenne die is geëxciteerd door een invoerpuls op haar invoerpunt is met een doorgetrokken lijn aangegeven. Dezelfde figuur toont in een gebroken lijn de responsie die resulteert bij een vlinderdasantenne volgens de stand van de techniek.Referring now to Figure 2, the results of the bow-tie antenna in the form of the time domain response are shown in a normalized graph with time indicated on the x axis and amplitude on the y axis. The time domain response of the bow tie antenna excited by an input pulse at its input point is indicated by a solid line. The same figure shows in a broken line the response resulting from a prior art bow tie antenna.

1014383 4 61014383 4 6

Verwijzend nu naar fig. 3 wordt de ontvangstgevoe-ligheid van de vlinderdasantenne volgens de uitvinding getoond in een doorgetrokken lijn, en de ontvangstgevoeligheid van een vlinderdasantenne volgens de stand van de techniek in 5 een gebroken lijn. De x-as toont de genormaliseerde excita-tiefrequentie. De frequentieschaal is genormaliseerd met betrekking tot de centrale frequentie van de invoerpuls die is toegevoerd aan het invoerpunt van de vlinderdasantenne. De y-as toont in dB de ontvangstgevoeligheid van beide antennes.Referring now to FIG. 3, the reception sensitivity of the bow tie antenna according to the invention is shown in a solid line, and the reception sensitivity of a prior art bow tie antenna in a broken line. The x axis shows the normalized excitation frequency. The frequency scale is normalized with respect to the center frequency of the input pulse applied to the input point of the bow tie antenna. The y-axis shows the reception sensitivity of both antennas in dB.

1 0 1 43831 0 1 4383

Claims

1. Bow tie antenna comprising an input point for radiated energy, and flat opposed arms which emit at least a portion of the energy supplied to the input point during use, the input point being positioned between both arms, and each of the arms comprise a carrier and an electrically conductive element mounted thereon, characterized in that each of the arms comprises a series of electrically conductive elements mounted on the carrier, which are spaced apart at predetermined distances such that slots are defined between neighboring elements.

Bow tie antenna according to claim 1, characterized in that the center-to-center distance of neighboring elements is the same for all elements.

Bow tie antenna according to claim 2, characterized in that the center-to-center distance of neighboring elements is approximately 0.02 times the central wavelength of the emitted energy.

Bow tie antenna according to claim 1, 2 or 3, 20, characterized in that each of the slots has a width which depends on the distance from the insertion point.

Bow tie antenna according to claim 4, characterized in that the width of adjacent slots increases proportionally with the distance from the insertion point.

Bow tie antenna according to claim 5, characterized in that the difference in width of adjacent slots is approximately 0.0005 times the central wavelength of the emitted energy.

7. Bow tie antenna according to any one of claims 1-6, 30, characterized in that the slot closest to the input point has a distance from this input point which is equal to approximately one quarter of the central wavelength of the emitted energy .

Bow tie antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that the antenna on its surface 1014383 is provided with an absorber for transmitted energy covering the slots.

A bow tie antenna according to claim 8, characterized in that the slot closest to the input point 5 has a distance from this input point equal to about 0.4 times the central wavelength of the emitted energy, and that the width of this slot is approximately equal to 0.008 times the said central wavelength. 1n14 ^ «s