Near-constant beamwidth wideband horn antenna design

Abstract

Geniş bantlı ve yüksek kazançlı anten uygulamalarında huni antenlere olan ihtiyaç nedeniyle söz konusu antenlerin kullanımı artmaktadır. Geniş bant boyunca hüzmenin sabit kalması, özellikle yön bulma (DF) uygulamaları ve yansıtıcılı anten beslemeleri gibi bazı alanlarda önemli ve gerekli hale gelmektedir. Bu tezde, 4:1 bant genişliği oranını sağlayan, yaklaşık-sabit hüzmeli, geniş bantlı, oluklu, çift mahyalı horn antenin tasarım yöntemi açıklanmıştır. Bu çalışmada sabit hüzme özelliği yalnızca tek bir düzleme ya da bant genişliği 2:1 oranıyla sınırlı simetrik geometrili bir antene sınırlandırılmamıştır. Onun yerine, 4.5 – 18 GHz bandında, hem yatay, hem düşey eksenlerde sabit hüzme özelliği gösteren dikdörtgen huni anten tasarlanmıştır. Öncelikle, huni antenlerin karakteristiğini anlamak için X-bant standart kazançlı huni anten (SGHA) ve geniş bantlı huni antenlerin çalışma bandı boyunca hüzme değişiminine referans olması için klasik çift mahyalı huni anten (DRHA) tasarlanmıştır. Geniş bant boyunca antenin sabit hüzmeli olmasını engelleyen sebepler ve sabit hüzmeli olması için gerekenler araştırılmıştır. İlk olarak DRHA modifiye edilmiş, ardından H-düzlem yanduvarları için `çubuk`lar, E-düzlem duvarları için ise `basamaklı oluk`lar kullanılarak NCBWHA tasarlanmıştır. Yeni olukların giriş admitans denklemleri çıkartılmış ve bant genişliği grafiği klasik oluklar ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Önerilen yeni oluk 4:1 oranından daha büyük bir bant genişliği sunmaktadır. Bu arada, 50 Ω empedans uyumunu sağlayacak şekilde dalgakılavuzu-koaksiyel adaptör tasarımı da yapılmıştır. Anten tasarımı sırasında elde edilen başarılı simulasyon sonuçlarından sonra tasarlanan antenlerden iki tanesi üretilmiştir. Üretilen antenlerin ışıma diyagramları ve diğer parametreleri mevcut bir yakın alan ölçüm sistemi ile ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlarının simulasyonlar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Sunulan geniş bantlı anten, 4:1 bant boyunca, H-düzlemde 31.0o±2.5o, E-düzlemde 37.4o±5.2o 3-dB hüzme genişliğine sahiptir.

The use of horn antennas is increasing because of their need in wideband, and high gain antenna applications. Beamwidth constancy along the wideband becomes particularly important and necessary in applications such as direction finding (DF) and reflector antenna feeds. We propose a design methodology for near-constant beamwidth, wideband, corrugated double ridged horn antenna over 4:1 frequency band in this thesis. In this study, the beamwidth constancy is not restricted to a single-plane or to a symmetrical geometry antenna which has a limited bandwidth (BW) ratio of 2:1. Rather, we aimed to design a rectangular horn with constant beamwidths at both azimuth and elevation planes from 4.5 to 18 GHz. We first design X-band standard gain horn antenna (SGHA) to understand the characteristics of horns and a conventional double ridged horn antenna (DRHA) to use it as a reference for beamwidth variation of wideband horns through the operating band. We also investigate the root causes that impede the antenna from constant beamwidth along wideband, and the requirements to achieve the beamwidth constancy. We first modify the DRHA to design near-constant beamwidth wideband horn antenna (NCBWHA), and then use structures called `pinwall` and `stepped-shape corrugated slot`, which are implemented in H-plane sidewalls and in E-plane walls, respectively. We derive the input admittance of a new step-shaped slot, and then determine the bandwidth by comparing to conventional corrugations. The proposed corrugation presents wideband characteristics with a BW ratio of more than 4:1. We also designed a broadband double ridged waveguide-to-coaxial (rwg-to-coax) adapter to match the antenna impedance to 50 Ω.After the design is completed in simulations, two different prototypes of antennas are built which are coax-fed curved pinwall DRHA and NCBWHA. The radiation pattern and other parameters of manufactured antennas are measured using a commercially available near-field system. We observe that the measurement results corroborate with simulation ones fairly well. The proposed antenna in this study has 4:1 wideband characteristics with 31.0o±2.5o in H-plane and 37.4o±5.2o in E-plane 3-dB beamwidths.