Engineered Ferrite Superstrate Based Scan Characteristics of Fabry-Perot Cavity Antenna. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF (Ph.D. Dissertation)
G200805900_Dissertation.pdf Download (3MB) | Preview |
Arabic Abstract
يتم استخدام المصفوفات الهوائية ذات الزوايا المتتالية بشكل شائع في الإتصالات اللاسلكية والرادارات لتوجيه الشعاع الصادر من الهوائيات بالإتجاه المطلوب. عادة ما يتم تغذية المصفوفات المستطيلة بأطوار تتزايد تدريجياً لتحقيق المسح الإشعاعي، وبسبب ذلك يكون بناء الهوائيات ـمراً معقداً. سيتم تقديم تقنيتين في هذي الرسالة لتوجيه المسح الإشعاعي للتجويف الهوائي "فابري-بيروت" (FPC) من دون التغذية المتدرجة للهوائيات. إن الطريقة لتوجيه المسح الإشعاعي سيكون عبر استخدام عازل متعدد الطبقات من مادة "فرّايت" للتحكم بتوزيع الحقل الكهربائي من مسار الإشعاع. سيتم التعرف تحليلياً إلى مناطق خسارة الطاقة القليلة في أعمدة القرايت باستخدام المعادلات الشرطية وسيتم استخدامها في نتائج برنامج المحاكاة والقياسات المخبرية. في الطريقة الأولى، تم توصيل مصفوفة هوائية مستطيلة مبنية على نمط خطوط المايكرو (MPA) برغوة ال"فرّايت" العازلة على تردد 10 قيقاهرتز لتوضيح الإشعاع المقاس على درجات ˚30± تحت تأثير حقل مغناطيسي متحامل بمقدار 0.1875 تيسلا. إن تغذية تجويف "فابري بيروت" بواسطة هوائي مستطيل بعد إضافة طبقة عازلة أدى إلى زيادة قوة الإشعاع بمقدار dB1.4 ولكن بالمقابل انخفض مقدار زاوية محيط المسح الإشعاعي. لتحسين الأداء، سيتم تغذية التجويف بمصفوفة هوائيات مستطيلة ذات عنصرين. إن طبقة رغوة ال"فرّايت" تتحكم بالإتجاه الصادي للحقل الكهربائي المسؤول عن تدوير إتجاه الإشعاع بمساعدة قضبان "فرّايت" محورية. عند القيام بتحميل وتغذية قضبان الفرّايت لوحدها بحقل مغناطيسي بمقدار 0.182 تيسلا، فإن مجموع زاوية الإشعاعيكون بمقدار ±12˚. هذه الطريقة تقلل الإشعاع الجانبي بمقدارdB 3.56 وتوفر الزاوية الأكبر لمنطقة المسح الإشعاعي، وهذه نقطة مهمة كون هوائي مصفوفة "فابري بيروت" يؤدي إلى زيادة الإشعاع الجانبي وليس تقليله كما تم إنجازه بهذه الرسالة. التقنية لاثانية تتضمن تزويد طبقة الفرّايت العازلة بحلقات رنانة مقطوعة (SRR) لتقليل الحاجة إلى الحقل المغناطيسي المساعد للتوجيه. سيتم تصميم ومحاكاة طريقيتين بناء باستخدام حلقة أو حلقتين من الحلقات الرنانة المقطوعة. إن التصميم قدم زاوية مسح إشعاعي متقاربة مع الطريقة الأولى بمتطلبات تغذية مغناطيسية أقل وحجم تجويف أقل. لكن التصميمات المقدمة ليست بالحجم الصغير وتحتاج بعض الطاقة الإضافية للتشغيل بسبب الحقول الإضافية. إن استخدام طبقات السيراميك منخفض الحرارة قد يساعد على تصغير حجم التجويف ويساعد على إضافة لفائف التغذية الموصلة مع قضبان الفرّايت.
English Abstract
In radars and wireless communication devices, phased array antennas are widely used to steer the direction of the main beam. Typically, array of radiating patches with progressively phased excitation are used to realize beam scan, resulting in complex antenna structures. In this dissertation, two different techniques to scan the main beam of a Fabry-Perot cavity (FPC) antenna without using phased excitation signals are presented. These alternative scanning mechanisms use a multilayered dielectric-ferrite superstrate to control the E-field distribution of the radiation path. Low-loss operating regions of the ferrite rods are analytically identified from the characteristic equation and are used in the simulations and measurements. Using the first technique, a single 10 GHz microstrip patch antenna (MPA) is loaded with a foam-ferrite superstrate to demonstrate a measured beam scan of ±30° for a differential biasing field of H0=0.1875 T. By integrating an additional dielectric layer, the resulting FPC excited with an MPA shows a 1.4 dB increase in directivity at the cost of reduced scanning angle. To optimize the design, the FPC antenna with multilayer superstrate is excited with a thinned 2-patch linear array. The foam-ferrite layer of the superstrate, now with three axially magnetized ferrite rods, is optimized to control Ey-phase taper needed for the beam scan. By individually biasing the ferrite rods, the main beam of the structure is scanned up to ±12° for a differential magnetization field of 0.182T (H0=150 kA/m). This method also reduces the side lobe level by 3.56 dB for maximum scan angle; which is important as typical FPC antenna demonstrates an increase in side lobe level with increasing scan angle. The second technique involves integrating the ferrite superstrate with split-ring resonators (SRR) to decrease the biasing field requirements. Two different configurations, with one or two SRR integrated ferrite rods, are designed and simulated. The resulting structures demonstrate equivalent beam scans at significantly lower biasing fields with reduced cavity heights as well. Although the presented designs are not low-profile, use of low temperature co-fired ceramics (LTCC) can reduce the cavity heights and also help incorporating the biasing coils within the ferrite rods.
| Item Type: | Thesis (PhD) |
|---|---|
| Subjects: | Engineering Research > Engineering Electrical |
| Department: | College of Engineering and Physics > Electrical Engineering |
| Committee Advisor: | Iqbal, Sheikh Sharif |
| Committee Co-Advisor: | Sharawi, Mohammed S. |
| Committee Members: | Alsunaidi, Mohammad A. and Masoudi, Hussain M. and Mittra, Raj |
| Depositing User: | Farooq Sultan (g200805900) |
| Date Deposited: | 27 May 2015 11:44 |
| Last Modified: | 01 Nov 2019 15:45 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139544 |