对c波段超宽带平面微带阵列天线飞机天气雷达的应用程序

文摘

平面阵天线小型化超宽带(UWB)对于飞机c波段天气雷达应用程序。首先,研究了地平面的影响。后来,实现和实验验证有一个超宽频的几何特性进行了讨论。这个数组天线是由蚀刻FR-4衬底上的一百二十四辐射单元的总体规模 毫米³和介电常数 。结果表明,这给了我们一个小型阵列天线的带宽和一个增益大于13 dB在飞机天气雷达应用程序是必需的。

1。介绍

天气雷达系统,也称为天气监视雷达(WSR),是一种系统,用于定位沉淀和估计其类型(雪、雨等)。如今,各种频段分配在此系统中,例如,年代,C、X,和K波段。乐队在本文是C,包括超宽频范围内频率分配的FCC(联邦通信委员会)1]。

飞机天气雷达测量具体使用天线具有较高的特征辐射治疗的大气传输和接收无线电波,发现天气条件(图1)[2- - - - - -4]。他们非常复杂的电磁系统,通常是由许多不同的组件如下:电源、传感器、天线,双工器,接收器,和屏幕。

最优无线电波的传输雷达要求天线具有良好的辐射性能。在本文中,我们的目标是致力于优化天线的辐射性能和光束控制组件(5- - - - - -7]。为此,微带阵列天线选择(8- - - - - -12]。

在本文中,我们试图在超宽频超宽带贴片天线。超宽频一般指系统,要么有一个大的相对带宽(1];这项技术被大量的优势,特别是在术语通道和数据传输速率的能力。FCC告知任何天线带宽等于或大于500 MHz,这个带宽是包含在3.1 GHz 10.6 GHz的频率范围为超宽频通讯系统是有效的,基于窄脉冲传输数据在极低功率(2,13,14]。

首先,我们的目标在这个手稿是数组的概念和实现高的天线辐射性能和超宽频特性,这是另一个工作的延续15]。这个阵列天线的设计使用方法详细摘要(16)和基于两个电磁模拟器基于CST。最后,我们做了一个对比模拟和实验结果的带宽和适应的表现。

本文分为四个主要部分,如在第二节中,提出了阵列天线的几何和工艺设计。在第三节中,我们提出了一个讨论和模拟结果之间的比较。最后,在第四部分中,讨论和对比仿真结果和实验结果。

2。方法和材料

在本文中,一个标准的丁字路口功率分配器(图2)用于将阵列天线能量平均分配到两个主要部分(图(左和右部分3))(17,18]。

设计的饲料数组,我们必须考虑反射水平和弯曲的电气长度。去除部分金属化的面积在弯曲的角落可以减少反射的弯曲。横切的剖视分数比例内部和外部之间的对角线的角落unmitred弯曲(图4)。

最优比例斜方是由(19]。 在哪里h基板厚度, 和介电常数 。

为我们的阵列天线设计(图5),我们给对于每一个角落,我们计算的价值通过应用(2)。表1显示了结果。

微带线的特性阻抗是用来喂养阵列天线元素表2。

提出了超宽频天线阵列的几何形状是描绘在图3。图3(一个)代表总地平面阵列天线,而图3 (b)代表和部分地平面阵列天线。天线位于x- - - - - -y飞机,和正常的方向平行z设在。FR-4环氧基板上有打印介质 厚度 和损耗角正切 这些阵列天线由50Ω兴奋的力量来源。

表3显示我们的阵列天线的几何参数计算的关系论文中引用的使用(12]。

3所示。模拟结果与讨论

在本部分中,我们做了一个对比基于CST仿真结果发现,之前的实验验证几何,给了我们预期的结果。

3.1。丁字路口功率分配器

图6显示功率分配器的输入阻抗随着频率的函数,这样黑色的曲线(连续)代表其虚部,而红色曲线(虚线)代表它的实部。我们可以观察到,实部等于50Ω,虚部等于零。所以我们分频器的输入阻抗与源阻抗建模。

3.2。的地平面阵列天线的性能

3.2.1之上。回波损耗

数据7和8显示补丁之间的比较回波损耗仿真阵列天线与地面部分和总平面。如果我们观察收益损失的演变,我们可以看到,对于部分地平面的情况,我们有一个适应整个乐队,一个不到10−dB(图8),这证明这个阵列天线是一个超宽频。

在另一方面,总地平面(图7),我们可以观察到,回波损耗不能适应在整个乐队c。所以,这个数组天线不是一个超宽频c波段。这种扭曲的回波损耗量之间的相互耦合结果辐射元素和地平面,如波辐射的辐射元素和在衬底的指导下,对总地平面,其回报完全向辐射元素,产生辐射元素之间的相互耦合,使阵列天线的破坏和不匹配。为此,在超宽频应用程序中,我们不使用阵列天线与地面总平面。

从图所示的结果8,我们发现与部分地平面阵列天线的带宽和超宽频特性。的低于−10 dB 9 GHz 3.4 GHz,大概是(115%),和它覆盖的标准IEEE 802.15 (3.1 -10.6 GHz)由FCC固定。

CST仿真,我们可以观察到这个数组天线有三个的共振频率 和 和四个基于的共振频率 和

3.2.2。电压驻波比(电压驻波比)

数据9和10显示模拟贴片阵列天线的电压驻波比。仿真结果表明,与部分地平面阵列天线的电压驻波比小于2,除以3.4 GHz的带宽范围9 GHz,其中包括所有的c波段。然而,总地平面阵列天线的电压驻波比大于2的所需的频率带,不尊重我们的目标,包括所有的c波段的超宽频特性。

因为我们的目标是有一个超宽频天线阵列,涵盖所有c波段,仿真结果表明,与部分地平面阵列天线是适合我们的应用程序。

3.3。增益与频率

图11显示了我们与部分地平面阵列天线的增益在超宽频频率范围。在大多数3 GHz和9 GHz之间的频率,增益增加13分贝和23分贝之间。因此,我们可以注意到阵列天线增益高的乐队C。

3.4。远场辐射方向图

图12显示了极地微带阵列天线的辐射在2 d部分地平面,之间基于春秋国旅在共振频率6 GHz。图12(一个)显示了极地在E-plane获得辐射模式(x- - - - - -z),和图12 (b)显示了极地在h平面获得辐射模式(y- - - - - -z)。

根据图12,我们可以观察到阵列天线具有双向辐射模式指向所需的方向(End-Fire)。

E-plane,我们可以看到它有六个二级叶。它是相同的h面,有六个侧叶与主瓣指向所需的角度。主瓣增益的水平可以达到23。

最后,超宽频天线阵列的结果呈现最佳的性能在适应方面,带宽和增益。这些表演都总结在表4。

4所示。制造和实验结果

根据仿真结果,与部分地平面阵列天线具有良好特性的带宽(包括所有c波段)和辐射模式。这些结果让我们直接的实验验证,在原型与SMA-female连接器。测试使用VNA-network分析仪在我们实验室之间的合作的可再生能源和智能系统和电子和通信的实验室。其照片顶部和底部视图如图所示13而图14代表它的维度。

4.1。回波损耗

图15显示模拟之间的比较和回波损耗的测量结果。的结果,我们可以得出结论,这个数组天线是令人满意的,因为我们需要一个包含了所有c波段超宽频天线阵列雷达中应用。所以从这些结果,我们可以观察到这个数组满足这个需求,如年代11≤10−dB从3.4 GHz 8.7 GHz 5.6 GHz的带宽与几个共振频率接近3.7 GHz, 7 GHz, 8.2 GHz。所以重要的阻抗带宽的实验结果能够覆盖所需的频段4 - 8 GHz。

4.2。电压驻波比

图16代表一个对比模拟和实验电压驻波比的结果。我们可以注意到,三个结果是显而易见的,它们的值都小于在所有的3.4 GHz GHz。

最后,提出了超宽频天线阵列具有良好特性的几个参数。表5给我们一个结论,对比模拟和实验结果。

5。结论

本文对c波段超宽带平面阵天线飞机天气雷达应用介绍,这一百二十四辐射单元组成。

仿真结果表明,与部分地平面阵列天线的最佳性能比总地平面阵列天线的匹配和带宽允许我们坦率地验证实验。

模拟之间的比例和高辐射的测量结果的性能在一个超宽频率范围从4 GHz高于8 GHz好处这个数组天线好候选人c波段飞机天气雷达的应用程序。

我们的角度是起草和情节的测量辐射模式,因为在我们国家,没有一个消声室使这些测量领域。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者想表达衷心感谢土耳其毡帽的科学和技术学院,大学Sidi穆罕默德·本·Abdellah摩洛哥,提供他们一个机会来实施他们的工作装备精良的实验室(L.E.R.S.I)说。作者也感谢他们的同事在实验室的电子和通信在大学穆罕默德V,谁帮助他们当他们在这个项目上工作。

引用

1. 联邦通信委员会第一次报告和秩序,修订部分15关于超宽带传输系统FCC委员会的规则,国家电信和信息管理局(NTIA),华盛顿,2010年。
2. w . p . Siriwongpairat和k·j·r·刘超宽带通信系统约翰·威利& Sons出版,2008年。
3. 联邦办公室协调员气象:联邦研发需求和优先事项相控阵雷达,Interdep融合- r25 - 2006。Cmte。气象svc。和支持研究,Cmte,2006年。
4. p . l . Heinselman d l . Priegnitz k . l . Manross t·m·史密斯和r·w·亚当斯,“快速采样严重的风暴由国家气象雷达实验相控阵雷达,”天气和预测,23卷,不。5,808 - 824年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. s . Karimkashi g . Zhang, a . a . Kishk“双极化频率扫描微带阵列天线对于天气雷达应用程序,”7日欧洲天线与传播会议,页1795 - 1798,哥德堡,瑞典,2013年4月8 - 12。视图:谷歌学术搜索
6. 张Karimkashi和g”,双极化串联馈微带天线阵对天气测量极化纯度非常高,“IEEE天线和传播,卷61,不。10日,5315 - 5319年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. m·a .华丽和a . v .尚”,微带圆形天线阵列设计雷达应用”2014年国际会议信息通信和嵌入式系统(ICICES),页1 - 5,钦奈,印度,2014年2月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. h . m . Bernety r·戈拉米b . Zakeri和m . Rostamian“线性超宽频雷达、天线阵设计”2013年IEEE雷达会议(雷达),页1 - 4,渥太华,加拿大,4月29日- 5月3 2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. a . Slimani s . d . Bennani a . El Alami和h . Harkat”优化参数的超宽带微带阵列天线无线通信使用光束控制”2015年第三次国际研讨会上RFID和自适应无线传感器网络(RAWSN)阿加迪尔,页12 - 17,摩洛哥,2015年5月13 - 15。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. a . Slimani s d Bennani, a . e . Alami”概念和优化的超宽频微带阵列天线雷达应用程序与普通end-fire光束控制特点,“国际期刊的超宽带通信和系统,3卷,不。3、126 - 132年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. c . Balanis天线理论:分析和设计威利和儿子,纽约,第三版,2006年版。
12. a . Slimani s . d . Bennani a . El Alami和h . Harkat”比较研究的辐射性能之间均匀和非均匀激励线性贴片天线阵列超宽频雷达应用中,“圆柱书:电气工程数学和计算方法,第95 - 89页,2015年。视图:谷歌学术搜索
13. 萨达特,m . Fardis f . Geran g . Dadashzadeh n . Hojjat和m . Roshandel”一个紧凑型微带有限元分析缝隙天线对于超宽频应用程序,”IEEE天线和传播社会国际研讨会阿尔伯克基,页4629 - 4632 NM,美国9-14 2006年7月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. m·h·d·Yaccoub a . Jaoujal m . Younssi a . El穆萨维,n .阿克尼“矩形环微带贴片天线对于超宽波段的应用程序,“国际期刊的创新和应用研究,4卷,不。2、441 - 446年,2013页。视图:谷歌学术搜索
15. a . Slimani s . d . Bennani a . El Alami和h . Harkat”概念等优化d一个新网格d 'antennes ULB en technologie micro-ruban倒l”des避暑地变化,”极de矫揉造作的Technologie et de的信息的沟通、系统等Modelisation (TICSM)置Fes Marocco, 2015。视图:谷歌学术搜索
16. a . Slimani s . d . Bennani a . El Alami和h . Harkat”概念和优化双向超宽带平面阵列天线的c波段天气雷达应用,”2016年国际会议上为组织发展信息技术(IT4OD)2016年3月4月30日1、费、摩洛哥、。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. h . Chorfi构思一个新兴和d 'antenne栅网波形Millimetrique各单体,魁北克大学Chicoutimi Abitibi-Temiscamingue 2012。
18. j·r·詹姆斯和p s大厅,微带天线的手册彼得•Peregrinus有限公司伦敦,英国,1989年。
19. r . j . p . Douville和d·s·詹姆斯,“对称微带弯曲试验研究及其补偿,”IEEE微波理论和技术,26卷,不。3、175 - 182年,1978页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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