[論文レビュー] Beam Steering Slotted Waveguide Antenna Using Rotating Dielectric Slabs for Meteorology Radar

Amirhossein Ghasemi, Jean‐Jacques Laurin|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2017

Microwave Engineering and Waveguides被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、放射スロットの位相を制御するために回転する誘電体スライスを用いたXバンド気象レーダー用のビームスティーブルなスロット波ガイドアンテナを提示する。20スロットの矩形波ガイドアレイ内に配置された2枚の誘電体スライスを回転させることで、14°（θ = 4° から 18° まで）のビームステアリングが達成され、利得は18.33 dB から 19.11 dB に変動し、放射効率は95% から 79% の間で変動する。

ABSTRACT

The design, simulation and measurement of a beam steerable slotted waveguide antenna operating in X band are presented. The proposed beam steerable antenna consists of a standard rectangular waveguide (RWG) section with longitudinal slots in the broad wall. The beam steering in this configuration is achieved by rotating two dielectric slabs inside the waveguide and consequently changing the phase of the slots excitations. In order to confirm the usefulness of this concept, a non-resonant 20-slot waveguide array antenna with an element spacing of d = 0.58{\lambda}0 has been designed, built and measured. A 14 deg beam scanning from near broadside ({ heta} = 4 deg) toward end-fire ({ heta} = 18 deg) direction is observed. The gain varies from 18.33 dB to 19.11 dB which corresponds to the radiation efficiencies between 95% and 79%. The side-lobe level is -14 dB at the design frequency of 9.35 GHz. The simulated co-polarized realized gain closely matches the fabricated prototype patterns.

研究の動機と目的

• Xバンド気象レーダー用の機械的ビームステアリング機能を備えたビームスティーブルアンテナの開発を目的とする。
• 複雑な位相シフタを用いずに、固定ビームのスロット波ガイドアレイの限界を克服し、動的ビームステアリングを実現することを目的とする。
• コンパクトで共振しない波ガイド構造を維持しつつ、高い利得と放射効率、低い側 lob レベルを達成することを目的とする。
• 20スロットプロトタイプの設計、シミュレーション、測定を通じて、概念の実証を目的とする。

提案手法

• グレーティングローブの最小化を目的として、d = 0.58λ₀ の間隔をもつ非共振の20スロット矩形波ガイド（RWG）アレイを設計する。
• 波ガイドの広い面に沿ってスロットをエッチングし、放射を可能にする。
• 2枚の誘電体スライスを波ガイド内に配置し、位相速度を変更することで、スロットの位相励振を機械的回転によって制御する。
• ビームステアリングは、誘電体スライスの回転によって実現され、これによりアレイ全体の有効電気的長さと位相分布が変化する。
• 動作周波数は9.35 GHzであり、性能の妥当性を検証するために、シミュレートされたおよび測定された放射パターンが用いられる。
• 理論的解析と電磁界シミュレーションを用いて、所望のビーム特性を得るためのスロット位置および誘電体特性の最適化が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブ位相シフタの代わりに回転する誘電体スライスを用いることで、スロット波ガイドアレイにおけるビームステアリングを効果的に実現できるか？
• RQ2 この誘電体ベースの位相制御を用いた非共振20スロット波ガイドアレイでは、どの程度のビームスキャン範囲と利得変動が達成可能か？
• RQ3 スキャン範囲にわたって放射効率と側 lob レベルはどのように変化するか？
• RQ4 シミュレーション性能と測定されたプロトタイプとの間で、放射パターンおよび利得の面でどの程度の一致が得られるか？

主な発見

• 実験的に14°のビームスキャン範囲が達成され、垂直方向近傍（θ = 4°）からエンドファイア方向（θ = 18°）までをカバーする。
• スキャン範囲にわたる実現利得は18.33 dB から 19.11 dB に変動し、高い指向性が安定して維持されていることが示された。
• 放射効率は95% から 79% の間で変動し、最も遠方のスキャン角度で最も低い効率が観測された。
• 側 lob レベルは-14 dB で測定され、9.35 GHz の設計周波数で低い側 lob 池染みが確認された。
• シミュレートされた共偏波利得パターンは、実装されたプロトタイプの測定パターンとよく一致しており、シミュレーションモデルの妥当性が裏付けられた。
• 提案手法により、最小限の複雑さで高性能な機械的ビームステアリングが実現可能であり、気象レーダー用途に適している。