Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2024, № 12 · RADIO WAVE PROPAGATION

Numerical calculation of dipole antenna radiation pattern at interface between two media

I.V. Prokopovich1

1 Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, RAS, Moscow, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.12.5 UDC 621.396.96 EDN WDRQKC

Abstract

The work examines the problem of numerical modeling of pulsed radiation from a dipole antenna lying at the interface between air and a dielectric medium. A brief description of the time domain finite difference modeling capabilities implemented in the gprMax software package is provided. In order to control the obtained numerical results, they are compared with known analytical solutions of two-dimensional radiation problems of an infinitely long line with a current, lying at the interface between two media; the radiation pattern is considered in both frequency and time domains. It is shown that the analytical and numerical solutions, when calculating the radiation pattern of pulsed radiation, give equivalent results. Disadvantages are noted of the numerical approach which copes well with calculations in the near field, while signal estimates in the far field can require excessive computational, including time, resources even for a relatively simple two-dimensional problem. The three-dimensional directivity patterns of pulsed radiation of a finite dipole antenna in the near field are also numerically calculated. The results obtained can be used in georadar practice in order to select a GPR survey scheme. The last section of the work is devoted to the examples of calculating signal attenuation with the radar range equation, taking into account numerically calculated radiation patterns.

  • gpr
  • gprMax
  • dipole antenna
  • radiation pattern
  • radar range equation
  • sounding depth
Аннотация (на русском)

Численный расчет импульсного излучения дипольной антенны на границе двух сред

В работе разбирается задача численного моделирования импульсного излучения дипольной антенны, лежащей на границе раздела воздуха и диэлектрической среды. Приводится краткое описание возможностей моделирования методом конечных разностей во временной области, реализованных в программном пакете gprMax. Для контроля полученных численных результатов приведено их сопоставление с известными аналитическими решениями двумерных задач излучения бесконечно длиной линии с током, лежащей на границе раздела двух сред, рассматривается диаграмма направленности как в частотной, так и во временной области. Показано, что аналитическое и численное решение при подсчете диаграммы направленности импульсного излучения дают эквивалентные результаты. Отмечены недостатки численного подхода, который хорошо справляется с расчетами в ближней зоне, а оценки сигнала в дальней зоне могут потребовать чрезмерных вычислительных, в том числе временны́х, ресурсов даже для относительно простой двумерной задачи. Также численно рассчитаны трехмерные диаграммы направленности импульсного излучения конечной дипольной антенны в ближней зоне. Полученные результаты можно использовать в практике георадиолокации для выбора схемы проведения георадарной съемки. Примерам расчета ослабления сигнала по формуле радиолокации с учетом численно подсчитанных диаграмм направленности посвящен последний раздел работы.

For citation

Prokopovich I.V. Numerical calculation of dipole antenna radiation pattern at interface between two media // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.5

References

  1. Warren C., Giannopoulos A. Characterisation of a ground penetrating radar antenna in lossless homogeneous and lossy heterogeneous environments // Signal Processing. - 2017. - V. 132. - P. 221-226.
  2. Berkut A.I., Edemsky D.E., Kopeikin V.V., Morozov P.A., Prokopovich, I.V., Popov A.V. Deep penetration subsurface radar: hardware, results, interpretation // 2017 9th International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar (IWAGPR). - IEEE, 2017. - P. 1-6.
  3. Сахтеров В.И., Аверин А.А., Попов А.В., Прокопович И.В. К расчету антенн импульсного георадара // Всероссийские открытые Армандовские чтения: Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн. - 2022. - №. 1. - С. 485-488. https://doi.org/10.24412/2304-0297-2022-1-485-488
  4. Morozov P., Morozov F., Lazarev M., Bogolyubov L., Popov A. Characterization of antenna radiation pattern and penetration depth in ground penetrating radar field missions // Remote Sensing. - 2023. - V. 15. - No. 23. - P. 5452. https://doi.org/10.3390/rs15235452
  5. Engheta N., Papas C.H., Elachi C.Interface extinction and subsurface peaking of the radiation pattern of a line source // Applied Physics B. - 1981. - V. 26. - P. 231-238. https://doi.org/10.1007/BF00692543
  6. Edemsky F., Popov A., Zapunidi S. A time domain model of GPR antenna radiation pattern // International Journal of Electronics and Telecommunications. - 2011. - V. 57. - No. 3. - P. 407-411. http://dx.doi.org/10.2478/v10177-011-0056-1
  7. Giannopoulos A. Modelling ground penetrating radar by GprMax // Construction and building materials. - 2005. - V. 19. - No. 10. - P. 755-762. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2005.06.007
  8. Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Transactions on antennas and propagation. - 1966. - V. 14. - No. 3. - P. 302-307. https://doi.org/10.1109/TAP.1966.1138693
  9. Radzevicius S.J., Chen C.C., Peters Jr L., Daniels J.J. Near-field dipole radiation dynamics through FDTD modeling // Journal of applied geophysics. - 2003. - V. 52. - No. 2-3. - P. 75-91. https://doi.org/10.1016/S0926-9851(02)00241-0
  10. Scheers B. Ultra-wideband ground penetrating radar with application to the detection of anti personnel landmines // Royal Military Academy, Brussels. - 2001.
  11. Арманд Н.А., Лукин Д.С., Чубинский Н.П. Современные проблемы подповерхностной радиолокации // Сверхширокополосные системы в радиолокации и связи: Конспекты лекций. - Муром: Изд.-пол. центр МИ ВлГУ. - 2003. - С. 92-107.
  12. Изюмов С.В., Дручинин С.В., Вознесенский А.C. Теория и методы георадиолокации: Учеб. пособие // М.: Издательство "Горная книга". - 2008. - 196 с.
  13. Дудник А.В. Влияние излучаемой мощности на глубину зондирования в георадиолокации // Разведка и охрана недр. - 2008. - №. 1. - С. 38-40.
  14. Беркут А.И., Копейкин В.В., Морозов П.А., Криницкий Л.М., Ульянцев Н.А., Попов А.В., Прокопович И.В. Глубинный георадар. Исследования геологической структуры подстилающей поверхности. [Электронный ресурс] https://www.geo-radar.ru/publish/pub8.php
  15. Финкельштейн М.И. Карпухин В.И., Кутаев В.А., Метелкин В.Н. Подповерхностная радиолокация // М.: Радио и связь. - 1994. - 216 с.
  16. Prokopovich I., Popov A., Pajewski L., Marciniak M. Application of coupled-wave Wentzel-Kramers-Brillouin approximation to ground penetrating radar // Remote Sensing. - 2018. - V 10. - No. 1. - P. 22. https://doi.org/10.3390/rs10010022