طراحی و شبیه‏ سازی ماتریس باتلر میکرواستریپی باند x برای تغذیه آنتن آرایه فازی با پهنای پرتو باریک

سامانه‏ های پروازی متعددی با کاربردهای گسترده در زمینه‏ های مختلف علمی، صنعتی، و تجاری وجود دارند. یکی از بخش‏های مورد استفاده در این ساختارها، رادار است. بسیاری از کاربردهای این سامانه‏ ها، نیازمند ردگیری اهداف یا جهات در محدوده زاویه ‏ای باریک است. این ویژگی با به ‏کارگیری آنتن‏هایی دارای پهنای پرتو باریک به‏ دست می ‏آید. آنتن‏های آرایه ‏ای، می‏ توانند در کنار فراهم نمودن بهره مورد نیاز، تحقق بخش چنین نیازی باشند. همچنین، این پهنای پرتو باید در محدوده قابل قبولی از جهات مختلف قابل تنظیم باشد. چنین ویژگی تنظیم پذیری به کمک استفاده از آنتن‏های آرایه فازی تحقق پذیر است. قابلیت تغییر جهت گلبرگ اصلی یک چنین آنتنی، به کمک ادوات فعال تغییر دهنده فاز تغذیه آنتن‏های موجود در آرایه، مانند دیودهای پین و ادوات فریت، فراهم است. با این حال، استفاده از ادوات غیرفعال ماتریس باتلر ابزاری ساده ‏تر و ارزان‏تر برای تحقق چنین راهکاری به‏ شمار می‏ آید. به‏ کارگیری ماتریس باتلر با تعداد درگاه ورودی-خروجی بیشتر منجر به الگوی تشعشعی با پهنای باند باریک‏تر می ‏شود. در این مقاله، طرحی ساده از ماتریس باتلر 32×32 در طیف فرکانسی باند x معرفی، و نتایج شبیه ‏سازی عملکرد آن ارائه می‏شود. این شبیه‏ سازی ‏ها به‏ کمک نرم ‏افزار کامسول که مبتنی بر روش اجزای محدود است اجرا شده ‏اند. در نهایت، پس از اِعمال موج به دو درگاه ورودیِ مشخص و اتصال ساختار ماتریس باتلر به آرایه مایکرواستریپ، پهنای پرتوی 3/5 درجه به‏ دست می ‏آید. دست‏یابی به تشعشع با پهنای پرتو باریک بر اساس آرایه آنتن‏های مایکرواستریپ تغذیه شده با ماتریس باتلر 32×32 و تنها بر پایه بُرد تک ‏لایه، هدف اصلی این پژوهش است.

design and simulation of x-band microstrip butler matrix for feeding the narrow beam-width phase array antenna

flight systems, have extensive applications in various scientific, industrial, and commercial fields. one component utilized in flight systems’ structure is radar. in various applications of these systems, it is required to track specific targets and directions in a narrow angular region. this feature is achievable by utilizing the narrow beam-width antennas. array antennas, besides providing the demanded gain, can fulfill such requirement. also, the beam-width should 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 main lobe direction of these antennas is provided using the active phase shifting components as feeders of the phased arrays, such as pin diodes and ferrite devices. however, using the passive butler matrix components is considered as simpler and cheaper tool to realize the approach. utilizing the butler matrix with more input-output ports, leads to narrower beam-width radiation pattern. in this paper, a simple design of 32×32 butler matrix for x-band frequency spectra is proposed, and the simulation results of its performance are presented. the simulations are carried out via comsol software which is based on finite element method. finally, after applying the appropriate waves to two specific input ports and connecting the butler matrix structure to the microstrip array, the beam-width of 3.5 degrees is achieved. the achievement to narrow beam width radiation realized by a microstrip antenna array fed with a 32×32 butler matrix and only based on a single layer board, is the main purpose of the research.