دانلود رایگان مقاله مفاهیم آنتن لنز برای ارتباطات ماهواره سیار زمینی
چکیده
برنامه ماهواره سیار برای فراهم نمودن لینک های ارتباطی مورد نیاز به مناطق روستایی در حال توسعه است. یک جزء حیاتی در این سیستم، آنتنی برای وسیله نقلیه است. این مقاله به موضوع کاهش هزینه انتن های وسیله نقلیه ارایه فازی از طریق استفاده از یک آرایش تغذیه لنز به جای استفاده از شیفت دهنده های فازی در هر عنصر می پردازد. عملکرد نظری این آرایه تغذیه شده لنز ارائه خواهد شد.
مقدمه
مطالعات اخیر توسط NASA/JPL (1) و صنایع نشان داده است که امکان ادامه حیات اقتصادی یک سیستم ماهواره سیار (MSAT) به طور عمده وابسته به استفاده کارآمد از طیف کمیاب مختص و مدار گردش و قدرت ماهواره است. نوع آنتن وسیله نقلیه استفاده شده، نقشی حیاتی را در دستیابی به این کارایی بازی خواهد نمود. در حقیقت، یک انتن وسیله نقلیه جهتی با بهره میانگین تقریبی 10dBi 5 تا 6 dB بهره اضافی را در مقایسه با یک انتن وسیله نقلیه تک جهتی افقی ارائه خواهد نمود. تا به حال، دو نوع از انتن های وسیله نقلیه به بهره متوسط مطالعه شده اند (1،2). اینها آرایه تطابق کننده با سطح با قابلیت هدایت مکانیکی هستند. پیش بینی شده است که آرایه قابل هدایت زمانی که توسعه یابد باید الزامات MSAT-X زیر (آزمایش ماهواره سیار) را برآورده سازد: (a) فرکانس: 821 تا 825 مگاهرتز انتقال، 866 تا 870 مگاهرتز دریافت؛ (b) پوشش: 20 تا 60 درجه عمودی، 360 درجه کامل افقی؛ (c) بهره: 10dBi مینیمم در ناحیه پوشش؛ (d) پلاریزاسیون: دایروی با ماکزیمم نسبت محوری 4dB.
مطالعات NASA/JPL و صنایع نشان داده اند که آرایه های قابل هدایت الکترونیکی که از شیفترهای فاز استفاده می کنند برای کاربران نهایی پرهزینه هستند حتی زمانی که آنها در تعداد زیاد تولید می شوند. به این دلیل، یک پروژه R&D برای بررسی امکان استفاده از مفاهیم پیشرفته تر و تکنیک هایی برای کاهش بالقوه هزینه ساخت این آنتن ها راه اندازی شده است. این مقاله به توصیف برخی از این مفاهیم پیشرفته با تاکید بر کاربرد تکنیک های تغذیه لنز برای کاهش تعداد کلی شیفترهای فاز و دیودهای PIN می پردازد و الزامات MSAT-X را حفظ می کند. چندین مفهوم لنز و پیکربندی آرایه بررسی خواهد شد و ارزیابی عملکرد مقایسه ای این مفاهیم و پیکربندی ها برای اثبات عملی توانمندی های کاهش هزینه صورت خواهد گرفت.
تحلیل
آنتن آرایه فازی MSAT باید در بالای وسیله نقلیه برای دید مناسب ماهواره نصب شود و باید دارای پروفایل کم برای دلایل زیبایی باشد. یک آرایه مایکرواستریپ، چند لایه برای آنتن تصور می شود. دو روش اساسی تغذیه آرایه فازی MSAT بررسی شدند، به نام آرایه تغذیه شده لنز و آرایه تغذیه شده شیفتر فاز. روش شیفتر فاز نیاز به شیفتر فاز در هر عنصر دارد که هزینه آنتن را افزایش می دهد. این روش اجازه می دهد تا پرتوی آنتن در جهت افقی و عمودی اسکن شود. هرچند، اسکن کامل عمودی عمودی نمی تواند به علت پهنای پرتوی عمودی لازم باشد و مسئله موقعیت ماهواره و ردیابی را افزایش می دهد.
این آرایه می تواند با محدود نمودن اسکن به اسکن افقی ساده شود. ساده سازی زیاد در صورتی نتیجه می دهد که عناصر آرایه در دوایر مر مرکز مرتب شوند. بنابراین، اسکن این پرتو می تواند با جابجایی ضرایب تحریک انجام شود. یک تغذیه لنز، روشی ساده را برای تغذیه عناصر واقع در این دوایر فراهم می کند. چندین آرایش تغذیه کننده لنز برای آنتن MSAT آزمایش شدند. روش های ماتریس Butler و Blass برای آرایه های خطی استفاده می شوند و برای MSAT مفید نیستند. یک لنز Rotman می تواند برای قوس هایی تا حدود 90 درجه استفاده شوند، اما نه برای دایره کامل. R-2R و لنزهای R-KR تنها نماینده های بادوام هستند زیرا آنها می توانند قوس هایی تا حدود 360 درجه را تغذیه کنند.
A. لنزهای R-KR
سیستم این آنتن شامل شبکه تغذیه و عناصر تابشی با لنزهای R-KR مانند جز اصلی شبکه تغذیه می شود. در زیر، لنز R-KR، شبکه تغذیه و عناصر تابشی به طور فیزیکی و وظیفه مند همراه با برخی ملاحظات سیستم توصیف شده اند.
لنز R-KR یک آنتن چندپورتی ساخته شده در زیرلایه دی الکتریک، با استفاده از تکنیک های طراحی خط نواری است که می تواند پرتویی 180 درجه را در صفحه افقی آنتن در برخی زوایای عمودی (3) اسکن نماید. رابط هایی متصل می شوند به طور یکنواخت در حول لبه لنز توزیع می شوند که پورت هایی متقابل را برای سیگنال rf فراهم می کند. روابط هندسی لنز در شکل 1 نشان داده شده است که در آن R فاصله شعاعی از مرکز روزنه انتن به حلقه عناصر تابشی تغذیه شده توسط لنز و KR شعاع لنز است. هندسه لنز اطمینان حاصل می کند که تحریک سیگنال rf در هر پورت خروجی به گونه ای فازبندی شده است که میدان تابشی هر عنصر در فاز جمع می شود و حاصل، الگویی با جبهه موج فاز یکنواخت است.
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. بخش بالایی شکل 2 نشاندهنده لنز K-KR دو لایه است که اسکن 360 درجه (3) را میسر می سازد. توان ورودی از یک پورت پرتو، از لنزهای بالایی و پایینی عبور می کند و تنها از پورت های عنصر بالایی خارج می شود اما نه از طریق پورت های پرتوی پایینی. با این روش، یک عنصر و پورت پرتو می تواند همان موقعیت را در محیط لنز اشغال کند.
که در آن A دامنه سیگنال rf اعمالی در پورت ورودی است. یک پرتو می تواند صفحه لنز را تا مقدار زاویه با تغییر مقدار KR اسکن کند. هرچند، چون این مقدار با ثابت دی الکتریک محیط لنز و شعاع لنز تعیین می شود، زمانی که لنز ساخته می شود، زاویه اسکن عمودی تنظیم می شود. با مدلسازی رایانه، تعیین شد که K تقریباً 1.35cos a در زوایای عمودی مورد نظر در این طرح است که در آن a زاویه اسکن عمودی است. این لنز می تواند در افقی با تغییر پورت ها برای ورودی سیگنال rf اسکن شود و 360 درجه پوشش می تواند با سوییچینگ از طریق هر رابط جایگذاری شده متقارن به دست آید.
ABSTRACT
The Mobile Satellite Program is being developed to provide needed communication links to rural areas. A critical component in the system is the antenna for the vehicle. This paper addresses the issue of reducing the cost of phased array vehicle antennas through the use of a lens feeding arrangement instead of through the use of phase shifters at each element. Theoretical performance of these lens fed arrays will be presented.
INTRODUCTION
Recent studies by NASNJPL (1) and industry have revealed that he economic viabilit of a mobile satellite system (MSAT) is rargely dependent on the efficient use of the allocated scarce spectrum and orbit as well as the satellite power. The type of vehicle antenna used will play a critical role in achieving this efficiency. In fact, a directive vehicle antenna with a moderate gain of approximately 10 dBi will provide 5 to 6 dB of additional gain compared with an azimuthally omni-directional vehicle antenna. Up to now two types of medium gain vehicle antennas have been studied (1,2). These are an electronically steerable conformal array and a mechanically steerable array. Inthis paper the focus is on the electronically steerable arrays. It is anticipated that the steerable array when developed should meet the following MSAT-X (Mobile Satellite Experiment) requirements: (a) Frequency: 821 to 825 MHz transmit, 866 to 870 MHz receive; (b) Coverage: 20 to 60 degrees elevation, full 360 degrees azimuth; (c) Gain: 10 dBi minimum within the coverage region; (d) Polarization: circular with maximum 4 dB axial ratio.
Studies by NASNJPL and industry have shown that he electronically steerable arrays which. utilize phase shifters can become very expensive for the end users even when they are produced in very large quantities. For this reason an R&D project has been initiated to investigate the possibility of using more advanced concepts and techniques for potentially lowering the manufacturing cost of these antennas. The paper describes some of these advanced concepts with emphasis given to the application of lens feed techniques for reducing the total number of phase shifters and PIN diodes and still maintaining the MSAT-X requirements. Several lens concepts and array configurations will be discussed and a comparative performance evaluation of these concepts and configurations will be made to demonstrate their cost reduction capabilities.
ANALYSIS
The MSAT phased array antenna must be mounted on top of the vehicle for proper satellite viewing and must have a low profile for aesthetic reasons. A multilayer, microstrip array is envisioned for the antenna. Two fundamental ways of feeding the MSAT phased array were examined, namely a lens fed array and a phase shifter fed array. The phase shifter approach requires a phase shifter at each element which increases the cost of the antenna. This approach allows the antenna beam to be scanned both in elevation as well as azimuth. However, full elevation scanning may not be necessary due to the width of the elevation beam, and it increases the problem of satellite location and tracking.
The array can be simplified by limiting the scanning to azimuth only scan. Further simplification results if the elements of the array are arranged on concentric circles. Then the scanning of the beam can be accomplished by commutating the exitation coefficients. A lens feed provides a simple way to feed the elements located on these circles. Several lens feeding arrangements were examined for the MSAT antenna. Butler and Blass matrix approaches are used for linear arrays and so are not useful for MSAT. A Rotman lens can be used for arcs up to 90" but not for a full circle. R2R and R-KR lenses are the only viable candidates since they can feed arcs of up to 360".
A. R-KRLens
The antenna system consists of the feed network and radiating elements with the R-KR lens as the basic component of the feed network. In the following, the R-KR lens, feed network, and radiatin elements are physically and functionally describe fi along with some system construction considerations.
The R-KR lens is amultiport antenna fabricated on a dielectric substrate, using stripline design techniques, which can scan a beam 180" in the antenna azimuth plane at some set elevation angle (3). Connectors are attached and uniformly distributed around the edge of the lens providing reciprocal ports to the rf si . The geometric relationships of the lens are i Yal lustrated in Figure 1 where R is the radial distance from the center of the antenna a erture to the ring of radiating elements fed by the Ens and KR is the radius ofthe lens. The geometry of the lens insures that the excitation of the rf signal at each output port is phased such that the radiated field of each element adds in phase and results ina pattern with a uniform phase wavefront.
where A is the amplitude of the rf signal applied at the input port. A beam can be scanned out of the plane of the lens to some elevation angle qe by changing the value of KR. However, since this value is determined by the dielectric constant of the lens media and the radius of the lens, once a lens is built, the elevation scan angle is set. By computer modeling, it was determined that K= 1.35 cos a over the elevation angles of interest in this design where a is the elevation scan angle. The lens can be scanned in azimuth by changing ports for input of the rf'signal and 360" of coverage can be achieved by switching through each of the symmetrically placed connectors.
چکیده
مقدمه
تحلیل
A. لنزهای R-KR
B. شبکه تغذیه
C. آنتن
تحلیل سیستم آنتن
AEP (الگوی عنصر آنتن)
A. الگوهای بهره افقی و عمودی
ABSTRACT
INTRODUCTION
ANALYSIS
A. R-KRLens
B. Feed Network
C. Antenna
ANTENNA SYSTEM ANALYSIS
A. Elevation and Azimuth Gain Patterns
REFERENCES