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超宽带雷达的Vivaldi微带天线的设计

M Y Perdana1, T Hariyadi1, Y Wahyu2

摘要：雷达技术的发展有一个重要的角色在一些领域如航空、土木工程、地质、医学。雷达系统的一个重要组成部分是天线。带宽可以指定雷达的分辨率。带宽越宽，雷达的分辨率就越高。对于探地雷达(GPR)或医疗应用需要高分辨率雷达，因此它需要一个具有宽带宽的天线。此外，雷达应用是要求天线具有定向辐射模式。因此，我们需要一个具有宽带宽和定向辐射模式的天线。具有这些特性的天线之一是Vivaldi天线。在以往的研究中，为超宽带雷达应用设计了几种Vivaldi微带天线，其工作频率为3.1至10.7 GHz。然而，这些研究仍然缺乏其中一个是辐射模式从最低到最高的频率辐射模式不是均匀的，在感觉上不是所有的方向。此外，所用的天线材料也不容易获得，而且价格也不便宜。本文将讨论一种宽带宽的Vivaldi微带天线的设计，该天线在3.1至10.7 GHz和更便宜的基片上工作。Vivaldi微带天线的底物是FR4，介电常数为4.3，厚度为1.6 mm。基于仿真结果，我们得到了天线设计的频率范围为3.1-10.7 GHz，其返回损失小于- 10db，具有定向辐射模式。天线增益为4.8 ~ 8dbi，最大尺寸为50毫米x40毫米。

1.介绍

雷达技术的发展起着重要的作用作为一个应用程序,它被广泛用于各种应用,包括飞行中,公民,和医疗。雷达技术有潜力和能力检测对象的位置和距离,例如是癌细胞检测系统在医疗设施中应用[1]和地质雷达(GPR)在土木工程的应用。雷达天线的一个重要组成部分。在设计天线时，天线的规范将确定雷达的性能。一些规范,必须满足雷达天线增益高和宽的带宽[2]。天线能够满足这些规范是一种超宽带天线。超宽频天线设计类型可以是Vivaldi天线的形式。

Vivaldi天线设计的某些类型为线性锥形槽天线(TSA)，但最大天线增益约为5dBi[3]，且辐射模式从低频到高频率不稳定[4]。在另一项研究中，研究了如何增加天线增益[5]和Vivaldi天线应用于乳腺癌成像[6]。预计作者设计的天线将最大限度地发挥超宽带雷达的性能。本文将设计一种从3.1 GHz到10.7 GHz的稳定辐射模式的Vivaldi微带天线。Vivaldi天线是一种带有锥形插槽的天线，提供了巨大的带宽和定向辐射模式。Vivaldi天线设计使用FR4基板和1.6毫米厚度和介电常数 ( εr )为4.35。

2.文学研究

2.1雷达

无线电探测和测距(雷达)用于探测指向北方和在某一距离(范围)天线的方向或方位角所表示的物体位置。雷达利用从物体表面反射的无线电波工作。雷达产生的电磁能量信号，由天线聚焦并传输到空间[7]。请尽可能仔细地遵循这些说明，这样，会议中的所有文章都与标题页有相同的风格。这一段遵循一个章节标题，所以它不应该缩进。

2.2超宽频(UWB)

超宽频带(UWB)是一种无线技术，可以通过低功耗和短距离的频段来传输大的数字数据[8]。UWB电台不仅可以携带大量的数据到70米的距离，而且功率非常低(lt; 0.5毫瓦)，而且还可以通过墙壁和其他障碍物传送信号，这些障碍物往往在带宽有限的情况下反射信号。UWB可以与短距离无线技术(蓝牙)相比较，蓝牙是一种将手持无线设备(手机)与另一种类似设备(或计算机[9])连接起来的标准。

UWB是一种短距离通信系统，具有非常宽的带宽，被分类为UWB通信，部分带宽要求为中心频率的25%。UWB发射出如此多的射频脉冲(无线电频率)，其中由宽频带发出的辐射，通过如此多的频率同时传送。这就是允许非常高的数据传输速度的原因[9]

2.3微带天线

微带天线是一种很受欢迎的天线。这是因为形状、大小和重量都非常适合当今电信技术的需求，这些技术优先考虑这些东西，使天线易于应用[10]。微带设备最简单的形式是插入两个相互平行的导电层，由介质衬底隔开。最高导体是一层薄薄的金属(通常是铜)，它只是波长的一小部分。海底导体是理论上价值无限的接地场。两者都由非磁性的介质衬底[10]分开。

图1所示：微带天线的基本结构

2.4锥形槽天线(TSA)

在1970年首次发现并研究了锥形槽天线(TSA)模型[11]。TSA天线的典型形状是在介电衬底金属上的锥形槽腐蚀。TSA是一种终端发射的天线辐射器，它不像其他的天线辐射到印刷的基板[8]。美国运输安全管理局的天线有几个模型，有不同的锥形槽模型。其中包括线性TSA，指数TSA，和恒定宽度TSA。锥形槽天线的设计是指数级的TSA，也称Vivaldi天线的锥形槽形状，随着天线长度的变化而成指数变化[12]。

3.天线设计

设计天线的早期阶段是确定所需的天线的特性或参数。在设计特点预期收益率:你的论文的文本格式如下:

Table 1. Parameters of the desired antenna.

天线尺寸如图2所示，衬底尺寸为60毫米x60毫米。所设计的天线为狭缝微带天线。狭缝微带天线是指通过释放贴片和供应通道，通过插槽直接向地球磁场辐射而激发的贴片天线的发展。微带天线插槽的主要优点是带宽更宽。微带天线插槽也允许天线在圆偏振状态下的性能。

图2：Vivaldi天线尺寸(a)天线的俯视图，(b)天线的底部视图。

Table 1. Parameters used in designing Vivaldi antenna.

微带天线的尺寸可从(1)得到

其中L为天线长度，W为天线宽度，c为光速，fl为低频，

r是介电常数。而指数锥形缝隙天线(TSA)可以从(2)得到