Beam Scanning Slot Array Antennas with Electromechanical Reconfigurability

La possibilité de reconfigurer facilement les petites pièces des antennes réseau pour balayer le faisceau principal joue un rôle essentiel dans plusieurs applications, notamment les communications par satellite et les radars. Ces antennes reconfigurables ont des exigences particulières en matière de capacité de balayage de faisceau, de faible poids/taille, de capacité de puissance élevée, de gain élevé, de niveau de lobes secondaires faibles, de vitesse de poursuite élevée, de coût faible et de profil bas. Trouver une solution capable d'intégrer toutes ces caractéristiques est un défi et nécessite l'introduction de solutions innovantes. L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer la capacité de balayage continu de faisceau de haute puissance dans deux polarisations linéaires différentes avec reconfigurabilité électromécanique. Pour réussir cela, nous prenons en compte la rotation électromécanique d'une ou deux tiges diélectriques à l'intérieur d'un guide d'onde à fentes. La première approche est basée sur un guide d'onde rectangulaire à fentes à large paroi. Nous utilisons un guide d'onde rectangulaire WR-62 standard. Le réseau linéaire à 20 fentes proposé permet le balayage du faisceau en faisant tourner deux tiges diélectriques à l'intérieur du guide d'ondes. Des tiges faites de diélectrique ont été choisies pour éliminer le mode TEM. La longueur d'onde de l'onde progressive et par conséquent les phases des éléments sont modifiées en fonction de l'angle de rotation des tiges par rapport au champ de mode dominant. Une étude détaillée du couplage mutuel entre les fentes et de la méthodologie de conception du réseau de fentes est menée. Les longueurs des fentes et leurs décalages par rapport au plan central du guide d'ondes doivent être évalués, de manière à obtenir un motif spécifié et un niveau d'impédance d'entrée spécifié. Pour réussir cela, nous devons prendre en compte le couplage mutuel entre les fentes. Une distribution d'amplitude triangulaire superposée à un niveau inférieur constant est utilisée afin de démontrer la capacité de contrôler le niveau des lobes secondaires (SLL). Une nouvelle conception pour la transition avec un guide d'ondes à rainure utilisant des tiges diélectriques à l'intérieur est proposée. Cette transition se compose d'un guide d'onde coaxial à l'arête et d'un guide d'onde chargé de tiges diélectriques. Les pointes en forme de coin sur l'arête et les plaques diélectriques entraînaient une faible perte de retour (inférieure à 10 dB) pour tous les angles de rotation des tiges.

Abstract

The capability of easily reconfiguring the small parts of array antennas in order to scan the main beam plays a key role in several applications, including satellite communications and radars. These reconfigurable antennas have special demands regarding beam scanning capability, small size/weight, high power handling, high gain, low side lobe level, high tracking speed, low cost, and low profile. Finding a solution able to integrate all these characteristics is challenging, and needs the introduction of innovative solving. The main goal of this thesis is to evaluate the capability of high power continuous beam scanning in two different linear polarizations with electromechanical reconfigurability. To do this successfully, we account for the electromechanically rotating one or two dielectric slabs inside a slotted waveguide. The first approach is based on a broad wall slotted rectangular waveguide. We employ a standard WR-62 of rectangular waveguide. The proposed linear 20-slotted array allows beam scanning by rotating of two dielectric slabs inside the waveguide. The slab made of dielectric has been chosen in order to eliminate the TEM mode. The wavelength of the travelling wave and consequently the element's phases are changed depending on the angle of the slabs relative to the dominant mode field. A detailed investigation of the coupling between the slots and the design methodology of the slot network is conducted. The lengths of the slots and their offsets from the waveguide center plane need to be evaluated, in such a way that a specified pattern and a specified input impedance level are achieved. To do this successfully, we must take into account the mutual coupling between slots. A triangular amplitude distribution superimposed on a constant lower level is used in order to demonstrate the capability to control the side lobe level (SLL). A novel design for the transition with a ridge waveguide using slabs inside it is proposed. This transition consists of a coaxial to ridge waveguide and a dielectric slabs loaded waveguide. Wedge shaped tips on both the ridge and the dielectric slabs led to good return loss (below -10 dB) for all rotation angles of the slabs. A 14° beam scanning from near broadside toward end-fire direction at the design frequency of 9.35