شبکه شکل‌ دهنده پرتو باتلر ماتریس مایکروستریپ برای تغذیه آنتن آرایه فازی با پهنای پرتو باریک در باند ka

استفاده از طیف فرکانسی موسوم به باند ka، کاربردهای گسترده ای در مخابرات ماهواره ای و پیاده سازی رادارهای مختلف دارد. همچنین، بخشی از طیف فرکانسی مورد نیاز در پیاده سازی شبکه های مخابراتی سیار نسل پنجم (5g)، منطبق بر این باند فرکانسی است. از طرفی، بسیاری از کاربردهای ذکر شده، نیازمند دستیابی به پرتو تشعشعی با قابلیت پایش دقیق در محدوده زاویه ای باریک است. تحقق این ویژگی به کمک آنتن هایی دارای پهنای پرتو باریک به دست می آید. آنتن های آرایه ای، در کنار فراهم نمودن بهره مورد نیاز، می توانند فراهم کننده چنین نیازی باشند. قابلیت تنظیم این پرتو باریک در محدوده قابل قبول از جهات مختلف، دیگر ویژگی مطلوب به شمار می آید که آن نیز، با به کارگیری آنتن های آرایه فازی امکان پذیر است. تغییر جهت بیشینه پرتو تشعشعی (لُب اصلی) چنین آنتنی را می توان به کمک عناصر فعال تغییر دهنده فاز تغذیه آنتن های سازنده آرایه، مانند دیودهای پین و ادوات فریت، ایجاد نمود. با این حال، به کارگیری شبکه غیرفعال باتلر ماتریس ابزاری ساده تر و ارزان تر برای دست یابی به این هدف به شمار می آید. با افزایش تعداد درگاه های چنین عنصری برای اعمال تغذیه به آنتن های مورد نظر، پهنای پرتو باریک تری تولید می شود. در این مقاله، پس از مروری بر مفاهیم ساختارهای باتلر ماتریس، طرحی ساده از باتلر ماتریس 32 ×32 در طیف فرکانسی باند ka بر پایه خطوط مایکرواستریپ معرفی، و نتایج شبیه سازی عملکرد آن ارائه می شود. در پایان، با اعمال موج به دو درگاه ورودیِ مشخص باتلر ماتریس و اتصال آن به آرایه مایکرواستریپ، پهنای پرتو 3/5 درجه به دست می آید.

Ka-Band Microstrip Butler Matrix Beamforming Network for Feeding the Narrow Beam-Width Phased Array Antenna

To utilize Kaband frequency spectrum, has extensive applications in satellite communication and various radars implementation. Also, a portion of the frequency spectra required for implementation of fifth generation mobile telecommunication networks (5G) is laid into this frequency band. On the other hand, many mentioned applications, requires the achievement to radiation beam with precise steering capability in a narrow region of solid angles. This feature is achievable by utilizing the narrow beamwidth antennas. Array antennas, besides providing the demanded gain, can fulfill such requirement. Also, the beamwidth can be tunable in an acceptable range of different directions. Such a tunability can be realized using the phased array antennas. The capability of change in maximum direction (main lobe) of these antennas is provided using the active phase shifting components as feeding elements of the phased arrays, such as PIN diodes and ferrite devices. However, employing the passive Butler matrix components is considered as simpler and cheaper tool to realize the approach. To use the Butler matrix as feed of the antennas, with more inputoutput ports, leads to narrower beamwidth. In this paper, after a brief review on Butler matrix structures principles, a simple design of 32 ×32 Butler matrix for Kaband frequency spectrum is proposed, and the simulation results of its performance are presented. After applying the appropriate waves to two specific input ports and connecting the Butler matrix structure to the microstrip array, the beamwidth of 3.5 degrees is obtained.