طراحی ماتریس باتلر 4×4 باند V در فناوری موجبر شکافی ریج

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد ، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران

2 استادیار دانشگاه تحصیلات تکمیلی و ناوری پیشرفته کرمان، ایران

چکیده

در این مقاله یک ماتریس باتلر در فناوری موجبر شکافی ریج اراﺋﻪ می­شود. برای این منظور ابتدا به طراحی کوپلر ریبلت در باند موج میلیمتری پرداخته می­شود. ضریب تزویج کوپلر ریبلت طراحی شده dB ۳ و اختلاف فاز دهانه­های خروجی آن ۹۰ درجه هست. همچنین افت برگشتی از دهانه­های این کوپلر در بازه فرکانسی GHZ  53  تا  GHz 60  بهتر از dB 10 هست. سپس به طراحی تقاطع و شیفت­دهنده فاز ۴۵ درجه در بازه فرکانسی ذکر شده پرداخته می­شود به نحوی که سیگنال خروجی تقاطع و شیفت­دهنده فاز با هم اختلاف فاز ۴۵ درجه داشته باشند. با اتصال مناسب چهار کوپلر ریبلت، دو شیفت­دهنده فاز و یک تقاطع، ساختار ماتریس باتلر طراحی می­شود. ماتریس باتلر طراحی شده دارای ۴ دهانه ورودی و ۴ دهانه خروجی هست. نتایج شبیه­سازی ماتریس طراحی شده توسط نرم­افزار HFSS نشان می­دهد که به‌ازای تحریک هر دهانه ورودی در بازه فرکانسی GHZ  53  تا  GHz 60  توان به‌صورت تقریباً مساوی بین ۴ دهانه خروجی با نسبت حدوداً dB ۶- تقسیم می­شود و اختلاف فاز خطی بین خروجی­های ماتریس وجود دارد که با تغییر تحریک به دهانه دیگر اختلاف فاز بین خروجی­ها نیز تغییر می­کند. به دلیل ایجاد توزیع دامنه و فاز مطلوب در خروجی­های ماتریس باتلر، نتایج شبیه­سازی مورد تأیید هستند. همچنین مقایسه نتایج با نتایج شبیه­سازی شده توسط نرم­افزار CST تأییدکننده عملکرد مناسب ماتریس طراحی شده می­باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design of V Band 4×4 Butler Matrix in Ridge Gap Waveguide Technology

نویسندگان [English]

  • Mohammad Norozi 1
  • Mohamad Hossein Ostovarzadeh 2
  • Seyed Ali Razavi Parizi 2
1 Master's degree, Graduate University of Industrial and Advanced Technology, Kerman, Iran
2 Assistant Professor, University of Postgraduate Education and Advanced Navigation, Kerman, Iran
چکیده [English]

This paper presents a Butler matrix in Ridge Gap Waveguide (RGW)technology. For this purpose, we first design the riblet coupler in the millimeter wave band. The riblet coupler is designed with a coupling coefficient of 3 dB and a phase difference of 90 degrees at the outputs. Also, the return loss of all ports of this coupler in the frequency range of 53-60 GHz is better than 10 dB. Then we design a crossover and 45-degree phase shifter in the mentioned frequency range. By integrating four ribelt couplers, two phase shifters and a crossover, the Butler matrix structure is formed. The designed Butler matrix has 4 input and 4 output ports. The simulasion results of the designed matrix obtained by HFSS software show that for excitation of each input port in the frequency range of 53-60 GHz, the power is divided approximately equal between 4 output ports with a ratio of about -6 dB. But there is a linear phase difference between the matrix output ports, which also the phase of output ports change as the excitation port changes to other port. The simulation results are valid due to the desired amplitude and phase distribution at the matrix outputs. Also, comparing the results with those obtained by CST software confirms the proper performance of the designed matrix.
.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Butler
  • Riblet
  • Phase shifter
  • Millimeter wave
  • Gap Waveguide

Smiley face

مراجع

[1] R. Wu, R. Minami, Y. Tsukui, S. Kawai, Y. Seo, S. Sato, K. Kimura, S. Kondo, T. Ueno, N. Fajri, S. Maki, N. Nagashima, Y. Takeuchi, T. Yamaguchi, A. Musa, K. Kaan Tokgoz, T. Siriburanon, B. Liu, Y. Wang, J. Pang, N. Li, M. Miyahara, K. Okada, and Akira Matsuzawa, “64-QAM 60-GHz CMOS Transceivers for IEEE 802.11ad/ay,” IEEE J. Solid-State Cir., vol. 52, no. 11, pp. 2871-2891, 2017. DOI:10.1109/JSSC.2017.2740264
[2] S. Blandino, G. Mangraviti, C. Desset, A. Bourdoux, P. Wambacq, and S. Pollin, “Multi-User Hybrid MIMO at 60 GHz Using 16-Antenna Transmitters,” IEEE Trans. Cir. Sys. I, vol. 66, iss. 2, pp. 848 – 858, 2019. DOI:10.1109/TCSI.2018.2866933
[3] P. Li, S. Liao, Q. Xue, S. Qu, “60 GHz Dual-Polarized High-Gain Planar Aperture Antenna Array Based on LTCC,” IEEE Trans. Antennas  Propag., vol. 68, iss. 4, pp. 2883 – 2894, 2020. DOI:10.1109/TAP.2019.2957095
[4] Q. Guo, Q. Wei Lin, H. Wong, “A High Gain Millimeter-Wave Circularly Polarized Fabry–Pérot Antenna Using PRS-Integrated Polarizer,” IEEE Trans. Antennas  Propag, vol. 69, iss. 2, pp. 1179 – 1183, 2021. DOI:10.1109/TAP.2020.3011110
[5] Y. J. Cheng, X. Y. Bao, Y. X. Guo, “60-GHz LTCC MiniaturizedSubstrate Integrated Multibeam Array Antenna WithMultiple Polarizations,”IEEETrans. Antennas Propag,vol. 61, iss. 12,pp.5958-5967,2013. DOI:10.1109/TAP.2013.2280873
[6] Y. Pan, Y. Cui, R. L. Li, “Investigation of a Triple-Band Multibeam MIMO Antenna for Wireless Access Points,” IEEE Trans. Antennas  Propag, vol. 64, iss. 4, pp. 1234-1241, 2016. DOI:10.23919/EuCAP.2017.7928071
[7] Y. Ban et al., “4G/5G multiple antennas for future multi-mode smartphone applications,” IEEE Access, vol. 4, pp. 2981–2988, 2016. DOI:10.1109/IMWS-AMP.2016.7588434
[8] J. Butler and R. Howe, “Beamforming matrix simplifies design of electronically scanned antennas,” Elec. Design., vol. 9, no. 8, pp. 170–173, 1961.
[9] H. J. Moody, “The systematic design of the Butler matrix,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 12, no. 6, pp. 786–788, 1964.
[10] A. B. Shallah, F. Zubir, M. K. A. Rahim, H. A. Majid, U. U. Sheikh, N. A. Murad, Z. Yusoff, “Recent Developments of Butler Matrix From Components Design Evolution to System Integration for 5G Beamforming Applications: A Survey,”  IEEE Access, vol. 10, pp. 8434 – 88456,2022. DOI:10.1109/ACCESS.2022.3199739
[11] T. Djerafi et al., "Planar Ku-Band 4x4 Nolen Matrix in SIW Technology," IEEE Trans. Micro. Theory Techn., vol.58,no.2,pp.259-266,2010. DOI:10.1109/APMC.2008.4958041
[12] P. Chen, W. Hong, Z. Kuai, and J. Xu, “A Double Layer Substrate Integrated Waveguide Blass Matrix for Beamforming Applications,” IEEE Microw. Wireless Com. Lett., vol. 19, no. 6, pp. 374-376, 2009. https://doi.org/10.1016/j.aeue.2022.154287
[13] D. H. Kim, J. Hirokawa, K. Tekkouk, M. Ando, R. Sauleau, “Comparison between one-body 2-D beam-switching Butler matrix and 2-D beam-switching Rotman lens,” Proceedings of ISAP, 2016.
[14] H. N. Chu, Tzyh-Ghuang Ma, “An Extended 4 × 4 Butler Matrix With Enhanced Beam Controllability and Widened Spatial Coverage,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,  vol. 66, iss. 3, pp. 1301-1311, 2018. DOI:10.1109/TMTT.2017.2772815
[15] P. Baniya, K. L. Melde, “Switched-Beam Endfire Planar Array With Integrated 2-D Butler Matrix for 60 GHz Chip-to-Chip Space-Surface Wave Communications,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.,vol.18, iss. 2,pp.236-240, 2019. DOI:10.1109/LAWP.2018.2887259
[16] E. T. Der , T. R. Jones, M. Daneshmand, “Miniaturized 4 × 4 Butler Matrix and Tunable Phase Shifter Using Ridged Half-Mode Substrate Integrated Waveguide,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,  vol. 68, iss. 8, pp. 3379-3388, 2020. DOI:10.1109/TMTT.2020.2989798
[17] Lei-Lei Qiu, L. Zhu, Zhao-An Ouyang; L. Deng, “Wideband Butler Matrix Based on Dual-Layer HMSIW for Enhanced Miniaturization,” IEEE Mic. Wire. Com. Letters , vol. 32, Iss. 1, pp. 25-28, 2022.
[18] K. Tekkouk, J. Hirokawa, R. Sauleau, M. Ettorre, M. Sano, M. Ando, “Dual-Layer Ridged Waveguide Slot Array Fed by a Butler Matrix With Sidelobe Control in the 60-GHz Band,” IEEE Trans. Antennas  Propag, vol. 63, iss. 9, pp. 3857-3867, 2015. DOI:10.1109/TAP.2015.2442612
[19] T. Tomura, Dong-Hun Kim, M. Wakasa, Y. Sunaguchi, J. Hirokawa, Kentaro Nishimori, “A 20-GHz-band 64×64 Hollow Waveguide Two Dimensional Butler Matrix,” IEEE Access, vol. 7, pp. 164080 – 164088, 2019.
[20] M. Farahani, M. Akbari, M. Nedil, A. R. Sebak, T. A. Denidni, “Millimeter-Wave Dual Left/Right-Hand Circularly polarized Beamforming Network,” IEEE Trans. Antennas  Propag, vol. 68, iss. 8, pp. 6118-6127, 2020. DOI:10.23919/EuCAP48036.2020.9135282
[21] P.-S. Kildal, E. Alfonso, A. Valero-Nogueira and E. Rajo-Iglesias, “Local metamaterial-based waveguides in gaps between parallel ‎metal plates,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 8, pp. 84-87, 2009.‎ DOI:10.1109/LAWP.2008.2011147
[22] P.-S. Kildal, “Three metamaterial-based gap waveguides between parallel metal plates for mm/submm waves,” in Proc. EuCAP, Mar. 2009.
[23] E. Rajo, P-S. Kildal, “Numerical Studies of Bandwidth of Parallel Plate Cut-Off Realized by a Bed of Nails, Corrugations and Mushroom-Type Electromagnetic Bandgap for Use in Gap Waveguides,” IET Microw. Antennas Propag., vol. 5, no. 3, pp. 282-289, 2011. DOI:10.1049/iet-map.2010.0073
[24] M. S. Dehghani, D. Zarifi, “Design of Power Divider Based on Gap Waveguide Technology for Use in Low Sidelobe Level 60-GHz Slot Array Antenna,” J. Appl. Electromagnetics, vol. 7, no.2, pp. 97-104, 2020. (In Persian). DOR:20.1001.1.26455153.1398.7.2.11.6
[25] A. U. Zaman, A. A. Glazunov, “Millimeter Wave Wideband High Gain Antenna Based on Gap Waveguide Technology,” Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), 2017.
[26] Adrián Tamayo-Domínguez, José-Manuel Fernández-González and Manuel Sierra-Castañer, “3-D-Printed Modified Butler Matrix Based on Gap Waveguide at W-Band for Monopulse Radar,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 68, iss. 3, pp. 926-938, 2019. DOI:10.1109/TMTT.2019.2953164
[27] Chao-Hsiung Tseng, Chih-Jung Chen and Tah-Hsiung Chu, “A Low-Cost 60-GHz Switched-Beam Patch Antenna Array With Butler Matrix Network,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 7, pp. 432-435, 2008. DOI:10.1109/LAWP.2008.2001849
[28] K. Tekkouk, J. Hirokawa, R. Sauleau, M. Ettorre, M. Sano, M. Ando, “Dual-layer Ridged Waveguide Slot Array fed by a Butler Matrix with Sidelobe Control in the 60 GHz Band, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, Iss. 9, pp. 3857 – 3867, 2015. DOI:10.1109/TAP.2015.2442612
[29] P. Chen, W. Hong, Z. Kuai, J. Xu, H. Wang, J. Chen, H. Tang, J. Zhou, and K. Wu “A Multibeam Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide Technology for MIMO Wireless Communications, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 6, pp.1813-1821, 2009. DOI:10.1109/TAP.2009.2019868
[30] F. Gross, “Smart Antenna for Wireless Communication,” McGraw-Hill, NY, USA, 2005.
[31] H. J. Riblet, “The Short-Slot Hybrid Junction,” Proceedings of IRE, vol. 40, pp. 180-184, 1952.
الکترومغناطیس کاربردی
دوره 11، شماره 2 - شماره پیاپی 27
شماره پیاپی 27، پاییز و زمستان
مهر 1402
صفحه 17-24

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 17 اسفند 1401
  • تاریخ بازنگری: 22 تیر 1402
  • تاریخ پذیرش: 11 مرداد 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار