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通过墙体成像系统设计槽形维瓦迪天线
Bambam Kumar1 , Kumar Abhay Vardhan1 and Prabhat Sharma
电子与通信工程学系 , IRDE, Raipur, Dehradun,Uttarakhand
印度理工学院,Roorkee, India-2476671
Crossponding author. 电子邮箱: Bambam.kumar@gmail.com
摘要：本文讨论了参数化研究，通过墙壁成像(双胞胎)雷达系统设计了一种适合的槽型维瓦尔迪天线。为通过墙壁成像(双胞胎)应用，发射和接收天线必须紧凑，轻巧便携，高增益，易制作，数组和超宽的带宽。因此,设计并以指数形式制造维瓦尔迪天线。一种有宽带的锥形槽天线(ETSA)具有带宽宽、高效率、高增益特性。本文讨论了完整的设计和优化问题，使用CST微波的维瓦尔迪天线的过程，做出并简要描述它的制作的过程。该报告还列举了关键问题，如装配天线的参数，包括它的S参数，波束宽度和增益。具体地说,它聚焦于目标检测，范围轮廓和扫描成像的静止目标在18厘米厚具体的墙。
关键词:维瓦尔第元素，双胞胎，参数化研究。
一.介绍
卫星技术快速发展遥不可及，传感，无线通信和雷达引导了超宽带(UWB)电子系统。任何使用信号的无线电技术一个带宽要占用更大的带宽，占中心频率的20%或带宽的20%大于500MHZ的被定义为UWB技术[1]。超宽波段技术需要具有宽带宽的天线，接收和辐射的最小失真脉冲信号。此外,超宽波段机载应用程序对大小有严格的要求。由于受限于有限的天线阵空间，维瓦尔迪天线是一种不同类型的情况，槽形天线具有指数火焰形状。它是简单的平面天线，即宽带。这是吉布森[1]于1979年首次提出。在他的第一篇论文中，他说，天线的理想是无限的瞬时带宽，Vivaldi天线也是特殊类型的行波天线具有生产能力的表面型宽带，结束火焰辐射[2]。
微波，成像应用,高增益天线系统的带宽相对较宽(对于高分辨率)有理想的要求。[3]。几乎恒定的辐射模式，良好的输入，匹配和小插入损失超过首选，频率范围是额外的同样关键，
这些是微波成像领域的要求。
穿透墙成像已经成为一项重要的技术，全应用在当前，特别是用于军事用途和安全用途。在最近几年，有几种成像技术文献被报道[4, 5]。天线是通过壁成像系统的最重要组成部分。
通过壁成像(双胞胎)应用，发射和接收天线必须紧凑且有轻量级的可移植性。除了限制他们的物理尺寸，天线必须能够以最小的方式传输UWB脉冲失真[6, 7]。天线辐射模式需要也被认为是重要的图像失真，能是由于角度对辐射的依赖模式。
维瓦尔迪天线具有良好的特性双胞胎的应用程序，特别是，它们相对而言结构简单，重量轻，横向小尺寸，带宽带，高效率，高增益特性。同时,他们是优秀的候选人阵列设计理论和维瓦尔迪天线的实验分析特征可以被发现[8–13]。变异的维瓦尔迪元素已经有了良好的文档记录[14– 18]。
在本文中，我们开发了一种维瓦尔迪天线(TSA)。天线尺寸被优化为有一个紧凑的尺寸和更好的性能。天线的运行性能是0.8GHz-4.0 GHz用于高分辨率成像墙壁。天线有超过8dBi增益操作频带的主要部分的细节开发的维瓦尔迪天线在第二部分，他们的模拟实验结果和介绍了通过壁成像的应用为第三部分。第四节总结全文。
二.天线设计参数
本节描述了参数化研究，关于天线设计的维瓦尔迪天线用给定的规范，每一个的效果对参数进行了仿真研究与CST微波工作室。天线是用来做的工作频率范围为0.8GHz-4GHz，
返回损失低于-10db和50欧姆特性喂料部分的阻抗。
A：设计方面
本文提出的通过墙体应用的锥形槽维瓦尔迪天线如图1所示。最好是从基质材料的选择开始。由于其介电常数较高(3.5-5.5)、低介电损耗(高频介电损耗比导体损耗更强)和各种厚度的易获得性，选择了FR4衬底。选择具有介电常数4.4的FR4衬底，损失切线0.00035和厚度1.5mm。利用式(1)给出了锥形槽行波天线厚度的基本限制
由式(2)定义底物有效厚度(teff)
lambda;0和t在中心频率和波长衬底的厚度
B: 长度和宽度
天线长度应大于自由空间波长的最低频率[19]，在本例中为0.8 GHz。这个需求保证了较好的增益和波束宽度的性能。因此，L gt; 20 cm的天线长度将提供可接受的返回损失性能。对于从天线结构的波的忠实分离，应该有最小的半波长。所以天线的宽度应该大于2。天线宽度的减少将使最低频率的操作受到影响。因此，宽度W gt; 10cm的天线将提供可接受的辐射性能。因此，长度和宽度分别选择了20厘米和14厘米。
C: 逐渐减少
内槽线与馈电位置之间的距离很小，波的边界也很大。当槽线变宽时，束缚会变弱，波会从天线辐射出去。锥形。槽线决定。高频频带，否则宽槽线决定低频带。由指数锥形剖面设计的顶部辐射表面和这个锥形轮廓是由R的开度和点P1(x1, y1)和P2(x2, y2)定义的。
在图1中，下面的指数关系定义了方程3[20]中给出的圆锥截面。
其中，c1 c2是常数，R是指数递减的起始值。在设计天线的情况下，起始值为2.2
图1设计的锥形槽维瓦尔迪天线
D：微带到槽线交叉过渡
本文研究了微带与槽线过渡的电磁耦合问题。由于它在带宽和波束宽度方面的优异性能，因此选择了这种进给技术。微带和槽线在交叉路口以直角相交。在十字路口微带线的表现为短路，因为径向桩在末端是开着的，长度大约为lambda;/4。在十字路口，短路的槽线表现为开路。(由于开路的传输线在四分之一波长处由开路点短路，反之亦然)。所以在这个用例短路来打开电路的能量转换，这种耦合能由指数递减线引导，波浪沿着曲线移动。
微带耦合线的设计是天线输入阻抗决定的重要参数。通常可用的SMA用标准微带线方程计算Zin=50的微条线宽度为50。由于插槽线阻抗比微带线的宽度相同。在交叉接点达到50点是不可能的(对于50欧姆的槽线来说，槽宽变得非常窄，导致制造误差)。因此锥形微条线是用于转换50Omega;- 80Omega;提供实现槽宽度在十字架上结。
由于微带线的开放结构，EM场不仅局限在基体中，而且在空气中也有一些场。这就是所谓的边缘效应。由于边缘场，有效介电常数会发生变化。如果w和h是衬底的宽度和厚度，那么有效的电介质。
常数将被计算为：
采用方程7的微带线特征阻抗公式计算微带线宽度：
其中，Zin:微带线的特性阻抗，W:微带线宽度和h:衬底厚度
从上一项研究中，径向短桩长度和圆形短桩直径应在2fmin。选择径向桩而不是其他形状的原因是它提供了宽带匹配。最初的径向短节长度和空腔直径为2.4厘米。在本研究中，考虑了一个900个径向短截。
E：天线口阻抗
该波由天线的上部辐射，而天线的上半部则是一条宽度呈指数变化的槽线。由于槽线的阻抗是频率的函数，如图8所示。如果我们固定Zo=377欧姆，计算W在不同的频率。发现随着频率的增加，377欧姆在较低的宽度下实现。所以低频率波被槽的更宽部分辐射。利用式(8)可以很容易地验证天线口阻抗：
其中，d:介电衬底厚度，lambda;0：操作波长和εr：相对介电常数
F：引入槽效应
微带线提供了感应电抗(由于径向末端的开路)和槽线提供电容电抗(由于短路)在交叉路口如前所述。为了增加带宽，需要在更多频段进行阻抗匹配。因此，该设计更侧重于改变微带和槽线的电抗。有两种方法可以改变线路的电抗。首先是通过改变这些线条的长度和宽度，这已经在简单的设计中得到了优化。因此，微带线和插槽线的长度和宽度不能提供更多的自由。另一种改变槽线电抗的方法是改变维瓦尔迪天线的地平面。这可以通过在天线的长度上设置槽来实现。这些槽将增加槽线的电容电抗。通过改变槽的长度和宽度，可以改变槽线的电抗，从而提高阻抗匹配。
通过在天线长度上引入插槽，增益和波束宽度明显改善。这是由于这个槽像负载一样，使电流密度沿着指数线。因此，电流密度最大，可以提高天线增益。在建议的设计中，总共绘制了8个插槽，宽度为1cm，插槽间距为6.08mm。
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三.结果与讨论
本节描述天线的设计、制作和应用的参数化研究给定的规范。研究了各参数对CST微波工作室的影响。
A：仿真结果
1.S参数
从0.8到4ghz的频率范围内的模拟S11可以看到这个天线的输入端口，如图2所示。在下面的图中，我们可以看到S11的期望频率范围在-10dB以下，即1.5 GHz到3.5 GHz。
图2 维瓦尔迪天线S11模拟图
2. 电压波站比
该天线频率范围0.8 ~ 4ghz的模拟电压驻波比如图3所示。在下面的图中可以观察到。在整个频率范围内，电压驻波比低于2。
图3 模拟VSWR设计方案
3.增益
仿真结果显示，该频率范围为0.8 ~ 4ghz的装配式天线的仿真增益如图4所示。在下面的图中可以看到，期望频率范围的增益总是大于8dBi。
图4 模拟增益图的设计
B：复数和验证
在印度理工大学roorkee RF和微波实验室制造的单元素维瓦尔迪天线。在IITR消声室中测量了合成天线，并给出了回波损耗和增益。并对模拟结果和实测结果进行了比较。从图1中可以看出开槽维瓦尔迪天线的图像。
- 回波损耗测量
S11测量的是天线和它的馈电的匹配。这种测量，也称为返回损耗测量，已经完成了通过使用网络分析器，并在dB中给出。该网络分析仪是在所需频带内校准的，这是通过连接打开、短和负载连接器到分析器的端口1来完成的。天线连接到同一个端口，天线的S11响应通过一个端口的测量与校准的vna在dB中找到。
图5 所述天线的返回损耗测量
在射频微波实验室中实现了单维瓦迪天线的返回损失响应测量。该天线在0.8 GHz到4 GHz的情况下的返回损耗测量结果如图5所示。在上面的图中可以看到，在期望的频率范围内，返回损失低于- 10db。
- 增益测量
增益测量是通过使用已知增益的天线来实现的，它被称为标准增益天线。在适当的范围内，将测试天线在其最佳位置的信号电平降低。之后，测试天线被标准增益天线取代，并将其光圈置于天线的中心。计算了标准和测试天线之间接收信号功率的方差。增加或减去标准增益的增益以获得测试天线增益。获得了所提出的测量结果在0.8GHz到4ghz频段的Vivaldi天线如图6所示。实测增益在模拟结果之间显示出良好的一致性，在期望的频率范围内总是大于8dBi。
图6 测量增益和模拟增益
- 测量了3 db波束宽度
3dB波束宽度或半功率波束宽度是角间距，其中辐射模式的大小从主光束的峰值下降50%或-3分贝。测量的3dB波束宽度是在表中给出的。
表1. 测量半功率波束宽度
C：实际应用
该天线已被用于通过墙成像来检测频率范围为1.5 GHz至3.5 GHz的三角形金属目标。该算法已用于三维合成孔径雷达(SAR)成像。为了获得完整的成像信息，目标扫描在水平方向和垂直方向。数据采集采用a扫描、b扫描、c扫描三种扫描方法。扫描给出了目标位置的信息，如图7所示。在给定的rage剖面图中，有4个峰，第一个是天线干扰，第二个和第三个交叉在前面和后面宽的墙和第四交叉的目标，在具体墙后面。B扫描提供了关于下拉范围和目标宽度的信息，如图8所示。C扫描提供了关于目标在宽度和高度上的有价值的信息，如图9所示。
图7范围简介
图8 B面扫描图像
图9 C面扫描图像
四.结论
本文介绍了一种适用于穿透墙的维瓦尔迪天线的设计，给出了成像的应用程序，天线被设计用来工作，频率范围为0.8 GHz-4GHz。然后在CST微波演播室进行了模拟，得到了增益和回波损失。实测结果表明，该天线具有良好的性能。由于它的波束宽度特性和足够的带宽性能，选择了条线到槽线过渡。仿真结果表明，所设计的维瓦尔迪天线的回损响应优于- 10db，而天线增益在工作带宽上大于8dBi。天线旁瓣水平也比9 dB半功率波束宽度不小于30ordm;Eamp;Hplane。在检测和成像部分，采用金属三角靶进行实验。还得到了墙后金属靶的c面描。
引用
[1]. Janaswamy, R. and D. H. Schaubert, “Analysis Of The Tapere
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