طراحی و شبیه‏ سازی ماتریس باتلر میکرواستریپی باند X برای تغذیه آنتن آرایه فازی با پهنای پرتو باریک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

استادیار، دانشکده فنی، دانشگاه آیت الله بروجردی، بروجرد، ایران

چکیده

سامانه‏ های پروازی متعددی با کاربردهای گسترده در زمینه‏ های مختلف علمی، صنعتی، و تجاری وجود دارند. یکی از بخش‏های مورد استفاده در این ساختارها، رادار است. بسیاری از کاربردهای این سامانه‏ ها، نیازمند ردگیری اهداف یا جهات در محدوده زاویه ‏ای باریک است. این ویژگی با به ‏کارگیری آنتن‏هایی دارای پهنای پرتو باریک به‏ دست می ‏آید. آنتن‏های آرایه ‏ای، می‏ توانند در کنار فراهم نمودن بهره مورد نیاز، تحقق بخش چنین نیازی باشند. همچنین، این پهنای پرتو باید در محدوده قابل قبولی از جهات مختلف قابل تنظیم باشد. چنین ویژگی تنظیم پذیری به کمک استفاده از آنتن‏های آرایه فازی تحقق پذیر است. قابلیت تغییر جهت گلبرگ اصلی یک چنین آنتنی، به کمک ادوات فعال تغییر دهنده فاز تغذیه آنتن‏های موجود در آرایه، مانند دیودهای پین و ادوات فریت، فراهم است. با این حال، استفاده از ادوات غیرفعال ماتریس باتلر ابزاری ساده ‏تر و ارزان‏تر برای تحقق چنین راهکاری به‏ شمار می‏ آید. به‏ کارگیری ماتریس باتلر با تعداد درگاه ورودی-خروجی بیشتر منجر به الگوی تشعشعی با پهنای باند باریک‏تر می ‏شود. در این مقاله، طرحی ساده از ماتریس باتلر 32×32 در طیف فرکانسی باند X معرفی، و نتایج شبیه ‏سازی عملکرد آن ارائه می‏شود. این شبیه‏ سازی ‏ها به‏ کمک نرم ‏افزار کامسول که مبتنی بر روش اجزای محدود است اجرا شده ‏اند. در نهایت، پس از اِعمال موج به دو درگاه ورودیِ مشخص و اتصال ساختار ماتریس باتلر به آرایه مایکرواستریپ، پهنای پرتوی 3/5 درجه به‏ دست می ‏آید. دست‏یابی به تشعشع با پهنای پرتو باریک بر اساس آرایه آنتن‏های مایکرواستریپ تغذیه شده با ماتریس باتلر 32×32 و تنها بر پایه بُرد تک ‏لایه، هدف اصلی این پژوهش است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design and Simulation of X-Band Microstrip Butler Matrix for Feeding the Narrow Beam-Width Phase Array Antenna

نویسندگان [English]

  • Hamed Moazami Goodarzi
  • Alireza Dolatabady
Assistant Professor, Faculty of Engineering, Ayatollah Borujerdi University, Borujerd, Iran
چکیده [English]

Flight systems, have extensive applications in various scientific, industrial, and commercial fields. One component utilized in flight systems' structure is radar. In various applications of these systems, it is required to track specific targets and directions in a narrow angular region. This feature is achievable by utilizing the narrow beam-width antennas. Array antennas, besides providing the demanded gain, can fulfill such requirement. Also, the beam-width should be tunable in an acceptable range of different directions. Such a tunability can be realized using the phased array antennas. The capability of change in main lobe direction of these antennas is provided using the active phase shifting components as feeders of the phased arrays, such as PIN diodes and ferrite devices. However, using the passive Butler matrix components is considered as simpler and cheaper tool to realize the approach. Utilizing the Butler matrix with more input-output ports, leads to narrower beam-width radiation pattern. In this paper, a simple design of 32×32 Butler matrix for X-band frequency spectra is proposed, and the simulation results of its performance are presented. The simulations are carried out via Comsol software which is based on finite element method. Finally, after applying the appropriate waves to two specific input ports and connecting the Butler matrix structure to the microstrip array, the beam-width of 3.5 degrees is achieved. The achievement to narrow beam width radiation realized by a microstrip antenna array fed with a 32×32 Butler matrix and only based on a single layer board, is the main purpose of the research.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Antenna
  • Butler matrix
  • Phased array
  • Microstrip
  • Radar

Smiley face

مراجع

  1. J.C. Rosser, V. Vignesh, B.A. Terwilliger, and B.C. Parker, “Surgical and Medical Applications of Drones: A Comprehensive Review,” J. Soc. Laparoend. vol. 22, pp. 3071-3080, 2018.
  2. R.A. Clothier, D.A. Greer, D.G. Greer, and A.M. Mehta, “Risk Perception and the Public Acceptance of Drones,” Risk Anal. vol. 35, pp. 1167-1183, 2015.
  3. P. Boucher, “Domesticating the Drone: The Demilitarisation of Unmanned Aircraft for Civil Markets,” Sci. Eng. Ethics, vol. 21, pp. 1393-1412, 2015.
  4. M. Hassanalian and A. Abdelkefi, “Classifications, Applications, and Design Challenges of Drones: A Review,” Prog. Aerosp. Sci. vol. 91, pp. 99-131, 2017.
  5. A. Otto, N. Agatz, J. Campbell, B. Golden, and E. Pesch, “Optimization Approaches for Civil Applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) or Aerial Drones: A Survey,” Networks, vol. 72, pp. 411-458, 2018.
  6. T.C. Tang, Y.R. Chuang, and K.H. Lin, “A Narrow Beamwidth Array Antenna Design for Indoor Non-contact Vital Sign Sensor,” Proc. of the 2012 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, Chicago, USA, 2012.
  7. M. Mahmudi and S. Chamaani, “Design and Fabrication of Dual Polarized Reflectarray in X-band,”Applied Electromagnetics, vol. 2, pp. 1-6, 2014. [In Persian]
  8. J.F. Coward, C.H. Chalfant, and P.H. Chang, “A Photonic Integrated-optic RF Phase Shifter for Phased Array Antenna Beam-forming Applications,” J. Light. Technol. vol. 11, pp. 2201-2205, 1993.
  9. M. Sazegar, Y. Zheng, H. Maune, C. Damm, X. Zhou, J. Binder, and R. Jakoby, “Low-cost Phased-array Antenna Using Compact Tunable Phase Shifters Based on Ferroelectric Ceramics,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech. vol. 59, pp. 1265-1273, 2011.
  10. M. Uhlmann, “Cylindrical Phased Array with PIN-diode Controlled Parallel-plate Feeding System,” 5th European Microwave Conference, Hamburg, Germany, 1975.
  11. M. Nikfalazar, C. Kohler, A. Wiens, A. Mehmood, M. Sohrabi, H. Maune, J.R. Binder, and R. Jakoby, “Beam Steering Phased Array Antenna with Fully Printed Phase Shifters Based on Low-temperature Sintered BST-composite Thick Films,” IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. vol. 26, pp. 70-72, 2016.
  12. H.N. Chu and T.G. Ma, “An Extended 4×4 Butler Matrix with Enhanced Beam Controllability and Widened Spatial Coverage,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech. vol. 66, pp. 1301-1311, 2018.
  13. Y.S. Lin and J.H. Lee, “Miniature Butler Matrix Design Using Glass-based Thin-film Integrated Passive Device Technology for 2.5-GHz Applications,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn. vol. 61, pp. 2594-2602, 2013.
  14. C. Dall'Omo, T. Monediere, B. Jecko, F. Lamour, I. Wolk, and M. Elkael, “Design and Realization of a 4×4 Microstrip Butler Matrix without any Crossing in Millimeter Waves,” Microw. Opt. Technol. Lett. vol. 38, pp. 462-465, 2003.
  15. C.H. Chen, H. Wu, and W. Wu, “Design and Implementation of a Compact Planar 4×4 Microstrip Butler Matrix for Wideband Application,” Prog. Electromagn. Res. C, vol. 24, pp. 43-55, 2011.
  16. V.M. Jayakrishnan and S.K. Menon, “Realization of Butler Matrix for Beamforming in Phased Array Aystem,” Procedia Comput. Sci. vol. 93, pp. 223-229, 2016.
  17. M. Bona, L. Manholm, J.P. Starski, and B. Svensson, “Low-loss Compact Butler Matrix for a Microstrip Antenna,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech. vol. 50, pp. 2069-2075, 2002.
  18. G.X. Zhang, B.H. Sun, L. Sun, J.P. Zhao, Y. Geng, and R.N. Lian, “Design and Implementation of a 3×3 Orthogonal Beam Forming Network for Pattern-Diversity Applications,” Prog. Electromagn. Res. C, vol. 53, pp. 19-26, 2014.
  19. J.G.C. Trujillo, M.S. Perez, A.N. Garcia, and M. Vera-Isasa, “3×3 Multibeam Network for a Triangular Array of Three Radiating Elements: Design and Measurement,” IEEE EUROCON-International Conference on Computer as a Tool, Lisbon, Portugal, 2011.
  20. D.M. Pozar, “Microwave Engineering,” 3rd Ed. Wiley, NJ, USA, 2005.
  21. R.E. Collin, “Foundations for Microwave Engineering,” 2nd Ed. McGraw-Hill, NY, USA, 1992.
  22. M.R. Che Rose, S.R. Mohd Shah, M.F. Abdul Kadir, D. Misman, M.Z.A. Abdul Aziz, and M.K. Suaidi, “The Mitered and Circular Bend Method of Butler Matrix Design for WLAN Application,” Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics, Melaka, Malaysia, 2007.
  23. H.J. Moody, “The Systematic Design of the Butler Matrix,” IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 12, pp. 786-788, 1964.
  24. F. Gross, “Smart Antenna for Wireless Communication,” McGraw-Hill, NY, USA, 2005.
  25. T.M. Macnamara, “Positions and Magnitudes of Fixed Phase Shifters in Butler Matrices Incorporating 90o Hybrids,” IEE P. Microw. Ant. Prop. vol. 135, pp. 359-360, 1988.
  26. T.M. Macnamara, “Simplified Design Procedures for Butler Matrices Incorporating 90o Hybrids or 180o Hybrids,” IEE Proc. vol. 134, pp. 50-54, 1987. 
  27. C.A. Balanis, “Antenna Theory,” 3rd Ed. John Wiley & Sons, NJ, USA, 2005.
  28. H. Singh, H.L. Sneha, and R.M. Jha, “Mutual Coupling in Phased Arrays: A Review,” Int. J. Ant. Prop. vol. 2013, pp. 1-23, 2013.
  29. http://www.comsol.com.
الکترومغناطیس کاربردی
دوره 11، شماره 1 - شماره پیاپی 26
شماره پیاپی 26، دوفصلنامه بهار و تابستان
خرداد 1402
صفحه 9-20

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 03 اردیبهشت 1400
  • تاریخ بازنگری: 28 بهمن 1400
  • تاریخ پذیرش: 19 مرداد 1401
  • تاریخ انتشار: 01 خرداد 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار