Antenna arrays based on reactively loaded overlapping sub-arrays: reduce and re-use

Abstract

In the framework of the PhD thesis, novel antenna array architectures have been developed. In the proposed array topologies, each sub-array consists of one directly fed antenna element and several passive reactive-loaded elements. The feeding of the passive elements is achieved by exploiting a free-space coupling instead of more conventional schemes based on a complex distribution network. This results in a drastic reduction in the complexity of the array feeding structure. Furthermore, the passive elements of the individual sub-array are re-used in adjacent sub-arrays, enabling a significant enhancement of the radiation pattern characteristics. The design of the considered class of array structures using brute-force numerical approaches based on full-wave electromagnetic simulation is extremely time-consuming even when a relatively small number of radiating elements are considered. To tackle this problem, we have developed an effective semi-analytical design methodology useful to synthesize antenna arrays with a predefined radiation pattern of the individual subarray. This design tool allows, also, the introduction of additional controls on the reflection coefficient of the active ports as well as on the coupling between them.

Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής, έχουν αναπτυχθεί νέες αρχιτεκτονικές συστοιχιών κεραιών. Στις προτεινόμενες τοπολογίες συστοιχιών, κάθε υποσυστοιχία αποτελείται από ένα στοιχείο κεραίας που τροφοδοτείται απευθείας και πολλά στοιχεία παθητικού αντιδραστικού φορτίου. Η τροφοδοσία των παθητικών στοιχείων επιτυγχάνεται με την εκμετάλλευση της σύζευξης ελεύθερου χώρου αντί για πιο συμβατικά σχήματα που βασίζονται σε ένα πολύπλοκο δίκτυο διανομής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια δραστική μείωση της πολυπλοκότητας της δομής τροφοδοσίας συστοιχιών. Επιπλέον, τα παθητικά στοιχεία της μεμονωμένης υποσυστοιχίας επαναχρησιμοποιούνται σε γειτονικές υποσυστοιχίες, επιτρέποντας σημαντική βελτίωση των χαρακτηριστικών του διαγραμμάτος ακτινοβολίας. Ο σχεδιασμός των ύπο μελέτη δομών συστοιχιών χρησιμοποιώντας αριθμητικές προσεγγίσεις που βασίζονται σε ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση πλήρους κύματος είναι εξαιρετικά χρονοβόρη ακόμη και όταν λαμβάνεται υπόψη ένας σχετικά μικρός αριθμός στοιχείων ακτινοβολίας. Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το πρόβλημα, έχουμε αναπτύξει μια αποτελεσματική ημι-αναλυτική μεθοδολογία σχεδιασμού χρήσιμη για τη σύνθεση συστοιχιών κεραιών με ένα προκαθορισμένο διάγραμμα ακτινοβολίας της μεμονωμένης υποσυστοιχίας. Αυτό το εργαλείο σχεδίασης επιτρέπει, επίσης, την εισαγωγή πρόσθετων ελέγχων στον συντελεστή ανάκλασης των ενεργών θυρών καθώς και στη σύζευξη μεταξύ τους.