[论文解读] 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 2

一句话总结

本文提出一种用于X波段气象雷达的波束可扫描开槽波导天线，通过旋转介质板来控制辐射槽的相位。通过在20个槽的矩形波导阵列内旋转两块介质板，实现了从θ = 4°到18°的14°波束扫描，增益变化范围为18.33 dB至19.11 dB，辐射效率在95%至79%之间。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于X波段气象雷达的波束可扫描天线，具备机械波束扫描能力。
• 通过实现动态波束扫描，解决固定波束开槽波导阵列的局限性，避免使用复杂的移相器。
• 在紧凑的非谐振波导结构中，实现高增益与高辐射效率，同时保持低旁瓣电平。
• 通过设计、仿真和20个槽原型的测量，实验验证该概念。

提出的方法

• 设计了一个非谐振的20个槽矩形波导（RWG）阵列，元件间距d = 0.58λ₀，以最小化栅瓣。
• 在波导的宽壁上蚀刻纵向缝隙，以实现辐射。
• 在波导内放置两块介质板，通过改变相位速度来控制槽的相位激励，实现机械旋转调节。
• 通过旋转介质板实现波束扫描，从而改变阵列上的有效电长度和相位分布。
• 工作频率为9.35 GHz，利用仿真与实测的辐射图样验证性能。
• 通过理论分析与电磁仿真，优化槽的位置和介质特性，以实现所需的波束特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过旋转介质板而非有源移相器，在开槽波导阵列中有效实现波束扫描？
• RQ2 在基于介质的相位控制下，非谐振20个槽波导阵列的可实现波束扫描范围和增益变化是多少？
• RQ3 在扫描范围内，辐射效率和旁瓣电平如何变化？
• RQ4 仿真性能与实测原型在辐射图样和增益方面的一致性如何？

主要发现

• 实验实现了14°的波束扫描范围，从端射方向（θ = 18°）到靠近 broadside（θ = 4°）方向。
• 在扫描范围内，实现的增益在18.33 dB至19.11 dB之间变化，表明具有稳定的高增益特性。
• 辐射效率从95%降至79%，最低效率出现在远端扫描角度。
• 旁瓣电平测量为-14 dB，表明在9.35 GHz设计频率下旁瓣干扰较低。
• 仿真得到的共极化增益图样与实测原型的图样高度一致，验证了仿真模型的准确性。
• 所提出的方法实现了结构简单、性能优异的机械波束扫描，适用于气象雷达应用。