A compact circularly polarized monopulse slotted waveguide array for airborne applications

Abstract

Modern radar ve iletişim sistemlerinde, yüksek kazanç, yüksek güç kapasitesi ve düşük profilli anten sistemleri sıklıkla kullanılmaktadır. Havadan ve yere dayalı uygulamalarda, rijit yapısı, düşük kaybı ve yüksek güç kullanma kabiliyeti nedeniyle oluklu dalga kılavuzu anten dizisi yaygın olarak kullanılmaktadır.Bu tez çalışmasında, Ku-bandında çalışan monopuls yeteneğine sahip kompakt, hafif, yüksek yansıma bant genişliği, yüksek kazanç ve dairesel polarize oluklu dalgalı dalga dizisi anten sunulmaktadır. Bu antenin hedef uygulaması, yerleşik izleme özelliğine sahip havadaki platformlardaki radyo bağlantılarıdır. Bu tez iki bölüme ayrılmıştır: 1) Kompakt ayakta dalga düz dizisinin tasarımı; 2) Düşük maliyetli bir doğrusal polarizasyonun (LP) dairesel polarizasyon (CP) dönüştürücüsünün tasarımı.Tezin ilk bölümünde, iki ana bileşene sahip bir anten sistemi sunulmuştur: monopuls karşılaştırıcı / besleme ağı ve anten bölümü. Anten 15 GHz'de tasarlanmış ve ANSYS HFSS kullanılarak simüle edilmiştir. 15 GHz'de 22.5 dB'den yüksek kazanç, yan lob seviyesi (SLL) ≤ 13 dB, 1200 MHz yansıma bant genişliği ile 6x8 yayılan slotların düzlemsel bir dizisidir. Tekel karşılaştırıcı ağMagic Tee tabanlı dalga kılavuzu yapısı. Anten, maksimum 10,8 cm 7 10,7 cm ∗ 4 cm boyutlarında olup, uçakta kolayca taşınır. Tezin ikinci bölümünde, bir LP-CP polarizörü sunulmuştur. Önerilen polarizer, olayı doğrusal polarize dalgayı dairesel polarize dalgasına dönüştüren çok katmanlı bir metasurface bazlı yapıdır. Bu tezde sunulan polarizer, kıvrımlı çizgi ve şerit çizgi hibrid konseptine dayanmaktadır. Her substrat katmanı, önceki katmana göre 45 ° döndürülür ve aralayıcı adı verilen düşük geçirgenlikli malzeme ile ayrılır. Polarizörün birim hücresi, 5.1 mm ∗ 5.1 mm boyutlarında kare şeklindedir. Eksenel oran bant genişliği 2 GHz'dir, yani eksenel oran 14-16 GHz'den 3-dB'den azdır. Aynı zamanda, mevcut literatüre kıyasla düşük maliyetlidir, çünkü yüksek maliyetli ince substrat yerine kalın substratlar kullanılır ve ayrıca bir substrat tabakası FR-4 laminat esaslıdır.

In modern radar and communication systems, high gain, high power capability and low-profile antenna systems are frequently utilized. In airborne and space borne applications, slotted waveguide antenna array is widely used due to its rigid structure, low-loss and high power handling capability.In this thesis, a compact, lightweight, high reflection bandwidth, high gain and circularly polarzied slotted waveguide array antenna with monopulse capability operating in Ku-band is presented. Target application of this antenna is radio links on airborne platforms with built-in tracking capability . This thesis is divided into two parts: 1) Design of compact standing wave slotted array; 2) Design of a low-cost linear polarization (LP) to circular polarzition (CP) converter.In the first part of thesis, an antenna system is presented that has two key components: monopulse comparator/feed network and antenna section. The antenna is designed at 15 GHz and simulated using ANSYS HFSS. It is a planar array of 6x8 radiating slots with a gain greater than 22.5 dB at 15 GHz , side-lobe level (SLL) ≤ 13 dB , reflection bandwidth of 1200 MHz. Monopulse comparator network isMagic Tee based waveguide structure. The antenna has maximum dimension of 10.8 cm ∗ 10.7 cm ∗ 4 cm that makes it easy to house on an aircraft. In the second part of thesis, a LP to CP polarizer is presented. The proposed polarizer is a multi-layer metasurface based structure that converts incident linearly polarized wave into circularly polarized wave. The polarizer presented in this thesis is based on meander line and strip line hybrid concept. Each substrate layer is rotated 45◦ with respect to previous layer and is seperated by low permittivity material called spacer. The unit cell of the polarizer is square in shape with dimensions of 5.1 mm ∗ 5.1 mm. Its axial ratio bandwidth is 2 GHz i.e: axial ratio is less than 3-dB from 14-16 GHz . It is also low-cost as compared to the available literature because thick substrates are used instead of high cost thin substrate and also one substrate layer is based on FR-4 laminate.