Antenna design for the bio-radar system

Abstract

The bio-radar is a system that measures vital signals using the micro-Doppler effect, which establishes a connection between the antennas and the subject’s chest wall movement. The aim of this dissertation is to design a directive antenna, with narrow beamwidth, and low side lobe level, while maintaining compact dimensions. The purpose is to reduce the acquisition of undesired reflections, improving the signal quality. This work explores the dielectric lens technique, as well as the micro-lens arrays, as an alternative to conventional antenna arrays. Different dielectric lens shapes, materials, and dimensions are evaluated to achieve an optimal relation between gain and antenna size. The implementation of the lens on a single microstrip patch resulted in an increase in gain from 6.31 dBi to 13.61 dBi and a decrease in half-power beamwidth from 116.2◦ to 26.3◦. The side lobe level increased from -12.9 dB to -10.7 dB. Moreover, despite the micro-lens array having larger dimensions, it has better performance with a gain of 17.65 dBi, a half-power beamwidth of 16.7◦ and a side lobe level of -11.8 dB.

O bio-radar é um sistema que mede sinais vitais utilizando o efeito de micro- Doppler, que estabelece uma relação entre as antenas e o movimento do peito do sujeito. O objetivo desta dissertação é desenvolver uma antena diretiva, com largura de feixe estreita e lóbulos laterais reduzidos, mantendo dimensões compactas. O propósito é reduzir a aquisição de reflexões indesejadas, melhorando a qualidade do sinal. Para tal, este trabalho explora a técnica das lentes dielétricas, assim como agregados de micro-lentes, como alternativa aos agregados de antenas convencionais. Assim, diferentes formatos, materiais e dimensões de lentes dielétricas são avaliados para alcançar uma boa relação entre o ganho e o tamanho da antena. A implementação da lente numa antena de microstrip resultou num aumento no ganho de 6.31 dBi para 13.61 dBi e numa diminuição na largura de feixe de 116.2◦ para 26.3◦. Os lóbulos laterais aumentaram de -12.9 dB para -10.7 dB. Além disso, apesar das dimensões do agregado de micro-lentes serem superiores, este apresenta um melhor desempenho com um ganho de 17.65 dBi, uma largura de feixe de 16.7◦ e um nível de lóbulos laterais de -11.8 dB.