[논문 리뷰] Beam Steering Slotted Waveguide Antenna Using Rotating Dielectric Slabs for Meteorology Radar

Amirhossein Ghasemi, Jean‐Jacques Laurin|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 25.

Microwave Engineering and Waveguides인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 X-band 기상 레이더를 위한 비틀림형 유도 슬롯 파동판 안테나를 제안한다. 이 안테나는 방사 슬롯의 위상 제어를 위해 회전하는 유전체 판을 사용한다. 20개의 슬롯을 가진 직사각형 파동판 어레이 내부에서 두 개의 유전체 판을 회전시킴으로써, 14°(θ = 4°에서 18°까지)의 빔 스캐닝을 달성하였으며, 이로 인해 이득은 18.33 dB에서 19.11 dB로 변동하고, 복사 효율은 95%에서 79% 사이로 유지된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기계적 빔 스위칭 기능을 갖춘 X밴드 기상 레이더용 빔 스위치 가능한 안테나를 개발하기 위해.
• 복잡한 위상 이동기 없이도 고정 빔 슬롯 파동판 어레이의 한계를 극복하여 동적 빔 스위칭을 가능하게 하기 위해.
• 작고 비공진형 파동판 구조에서 낮은 측면 lobes 수준을 유지하면서도 고이득 및 높은 복사 효율을 달성하기 위해.
• 20슬롯 프로토타입의 설계, 시뮬레이션 및 측정를 통해 개념을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 기계적 격자 빔을 최소화하기 위해 요소 간격이 d = 0.58λ₀인 비공진형 20슬롯 직사각형 파도도어( RWG) 어레이를 설계하였다.
• 파동도어의 넓은 벽면에 종방향 슬롯을 에칭하여 복사 기능을 구현하였다.
• 유전체 판 두 개를 파동도어 내부에 배치하여 파동의 위상 속도를 변화시킴으로써 슬롯의 위상 입력을 기계적 회전을 통해 제어하였다.
• 유전체 판의 회전을 통해 효과적인 전기적 길이와 어레이 전역의 위상 분포를 변화시켜 빔 스위칭을 구현하였다.
• 9.35 GHz에서 작동하는 설계로, 성능을 검증하기 위해 시뮬레이션 및 측정된 복사 패턴을 사용하였다.
• 이론적 분석과 전자기 시뮬레이션을 통해 원하는 빔 특성을 얻기 위해 슬롯 위치와 유전체 특성을 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 위상 이동기 대신 회전하는 유전체 판을 사용하여 슬롯 파동도어 어레이에서 효과적인 빔 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 유전체 기반 위상 제어를 사용할 경우, 비공진형 20슬롯 파동도어 어레이에서 얻을 수 있는 빔 스캐닝 범위와 이득 변화는 얼마인가?
• RQ3 스캐닝 범위 전반에서 복사 효율과 측면 lobes 수준은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 복사 패턴과 이득 측면에서, 시뮬레이션 성능이 측정된 프로토타입과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 실험적으로 14°의 빔 스캐닝 범위를 달성하였으며, 이는 거의 수평 방향(θ = 4°)에서 끝면 방향(θ = 18°)까지의 스캐닝을 포함한다.
• 스캐닝 범위 전반에서 실현된 이득은 18.33 dB에서 19.11 dB로 변동하여 높은 직접성의 안정성을 보였다.
• 복사 효율은 95%에서 79%로 변동하였으며, 가장 낮은 효율은 먼 쪽 스캐닝 각도에서 관측되었다.
• 측면 lobes 수준은 -14 dB로 측정되어, 9.35 GHz의 설계 주파수에서 낮은 측면 lobes 오염을 확인하였다.
• 모의 공진 이득 패턴이 제작된 프로토타입의 측정 패턴과 밀도적으로 일치하여 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증하였다.
• 제안된 방법은 최소한의 복잡성과 높은 성능을 제공하며, 기상 레이더 응용 분야에 적합한 기계적 빔 스위칭을 가능하게 한다.