Μικροκυματικές τεχνικές προσανατολισμού ακτινοβολούμενης δέσμης: σχεδιασμός συστημάτων ηλεκτρονικού ελέγχου

Abstract

Electronically Scanned Arrays (ESAs) constitute a wide research topic, with applications ranging throughout the electromagnetic systems, such as Radar and satellite communications. Apart from the antenna array itself, the most critical component of ESAs is the beamforming network, which is responsible for shaping and steering the the radiated beam. In this thesis, novel beamforming networks are designed, fabricated and tested, offering improved characteristics to the antenna systems. Firstly, the sidelobe level (SLL) of the radiation pattern is improved, along with the number and the beam steering capability of the beams. Secondly, the bandwidth of the system is increased. The beamforming networks studied are Butler and Nolen type matrices. The simultaneous excitation of multiple Butler matrix ports is initially applied, in order to decrease the SLL. Moreover, a shift in the output phase sequence is introduced, as a method to increase the number of radiated beams.Furthermore, novel low SLL Butler and Nolen matrices are designed, in order to avoid the use of external circuitry for the creation of low SLL patterns. The numerical (simulated) and experimental results are satisfactory, verifying the design method. Some examples for conformal/cylindrical arrays are also studied. Lastly, a microwave photonics technique is applied in the microwave/RF frequency bands, in order to design a wideband RF antenna systems using microwave beamformers. System design is presented, which gives a 30% bandwidth for a VHF/UHF antenna system.

Οι Ηλεκτρονικά Προσανατολιζόμενες Συστοιχίες αποτελούν ένα ευρύ ερευνητικό πεδίο, με εφαρμογές στα συστήματα Ραντάρ και τις δορυφορικές επικοινωνίες, καθώς και σε ένα μεγάλο πλήθος ηλεκτρομαγνητικών συστημάτων εκπομπής-λήψης. Πέρα από τη συστοιχία κεραιών, η βασικότερη διάταξή τους είναι το δίκτυο διαμόρφωσης δέσμης, το οποίο είναι υπεύθυνο για τη μορφοποίηση και τον προσανατολισμό της ακτινοβολούμενης δέσμης.Στην παρούσα διατριβή σχεδιάζονται, κατασκευάζονται και μετρώνται καινοτόμα δίκτυα διαμόρφωσης δέσμης, τα οποία προσφέρουν βελτιωμένη λειτουργία στα συστήματα ηλεκτρονικά προσανατολιζόμενων συστοιχιών. Τα χαρακτηριστικά που βελτιώνονται είναι πρωτίστως το επίπεδο των πλευρικών λοβών, ο αριθμός και η ικανότητα στροφής των ακτινοβολούμενων δεσμών και δευτερευόντως, το εύρος ζώνης.Συγκεκριμένα, αρχικά σχεδιάζεται ένα σύστημα με πίνακα Butler, το οποίο διαθέτει χαμηλούς δευτερεύοντες λοβούς και αυξημένο αριθμό ακτινοβολούμενων δεσμών. Το σύστημα βασίζεται από τη μία πλευρά σε κλασικές τεχνικές, όπως η ταυτόχρονη διέγερση ζεύγους θυρών εισόδου για τη δημιουργία διαγράμματος ακτινοβολίας χαμηλών δευτερευόντων λοβών και από την άλλη, εισάγει την τεχνική της ολίσθησης της ακολουθίας φάσης εξόδου, με στόχο την αύξηση του αριθμού των δεσμών. Τα αριθμητικά και πειραματικά αποτελέσματα κρίνονται ικανοποιητικά.Ακολούθως, η έρευνα έχει να κάνει με την ανάπτυξη καινοτόμων δικτυωμάτων τύπου πίνακα Butler και Nolen με δυνατότητα δημιουργίας ανομοιόμορφων κατανομών πλάτους τροφοδοσίας. Το επίπεδο των δευτερευόντων λοβών που μπορεί να επιτευχθεί είναι εν γένει χαμηλότερο από -30dB. Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων είναι ικανοποιητικά, επιβεβαιώνοντας τη σχεδιαστική αρχή και σε μεγάλο ποσοστό, τις αρχικές προδιαγραφές. Η μεθοδολογία σχεδιασμού μπορεί να εφαρμοσθεί και σε δισδιάστατες τοπολογίες, κατάλληλες για την τροφοδοσία επίπεδων συστοιχιών. Η μελέτη επεκτείνεται και σε σύμμορφες κυκλικές και πολυεδρικές συστοιχίες, οι οποίες παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, εξαιτίας της γεωμετρίας τους. Έμφαση δίνεται στην τεχνική της μεταγωγής της διέγερσης, όπου παρουσιάζονται αποδοτικότεροι τρόποι εφαρμογής της, με σκοπό την αποτελεσματικότερη κάλυψη του κυκλικού γωνιακού τομέα. Τέλος, η παρούσα διατριβή μελετά την ανάπτυξη ευρυζωνικών ραδιοσυχνοτικών συστοιχιών μέσω της υλοποίησης μικροκυματικών δικτύων διαμόρφωσης δέσμης. Η τεχνική προέρχεται από τη Μικροκυματική Φωτονική. Τα αποτελέσματα σε επίπεδο προσομοίωσης συστήματος είναι ικανοποιητικά, όπως επίσης και τα πειραματικά αποτελέσματα των μετρήσεων του αναλογικού μικροκυματικού δικτυώματος που κατασκευάστηκε. Έτσι, επιτυγχάνεται προσανατολισμός της δέσμης απαλλαγμένος από το “στραβισμό”, με καθυστέρηση πραγματικού χρόνου, σε ένα ραδιοσυχνοτικό εύρος ζώνης που κυμαίνεται στο 30%.