Ka-band Continuous Transverse Stub array fed by ridge gap waveguides for SATCOM on the move applications

Abstract

[ES] Las agrupaciones de stubs transversales (CTS) en banda Ka con capacidad de direccionamiento del haz usando la tecnología Gap Waveguide (GW) se han estudiado. El principal objetivo ha sido diseñar antenas para comunicaciones por satélite en movimiento (SOTM). Las antenas para este tipo de comunicación requieren un rango de barrido para que el haz pueda seguir al usuario mientras se mueve. Por ello, las especificaciones requeridas son elevadas.

Los tres bloques en los que se puede descomponer el sistema de antenas de array se han estudiado en detalle. Para alimentar el CTS se ha utilizado una Ridge GW (RGW) corrugada. La corrugación de la RGW acorta la longitud de la onda guiada y, por tanto, reduce los lóbulos de difracción que se producen en los diagramas de radiación. Se ha demostrado que varias combinaciones de las dimensiones de la corrugación dan como resultado el mismo valor de longitud de onda guiada. En el presente trabajo, se ha elegido que sea de 9 mm. Se ha diseñado una transición de guía de onda rectangular (RW) a RGW para que el sistema de agrupación de antenas propuesto pueda ser utilizado como elemento radiante alimentado por un desfasador mecánico ya existente en la literatura.

Una de las principales características de la agrupación de antenas propuesto es que todos los elementos irradian la misma potencia. Por lo tanto, se ha desarrollado una formulación matemática para controlar que la potencia acoplada por cada apertura del CTS sea correcta. Además, se ha obtenido una relación directa entre la potencia acoplada y el valor de la apertura. La solución para mejorar el coeficiente de reflexión del sistema es el uso de una muesca reactiva.

Las agrupaciones lineales serie y transversales que componen el sistema se han analizado con el fin de obtener más conocimientos para el diseño de la agrupación final. El diagrama de radiación en el plano serie ha resultado ser asimétrico y no centrado del todo, existiendo un desplazamiento de 1º. La función de la muesca no sólo puede reducirse para mejorar el coeficiente de reflexión, ya que, también modifica la formulación matemática de las potencias acopladas. No obstante, se considera un resultado muy válido. Se han utilizado diferentes distribuciones de amplitud como la Uniforme, Chebyshev y Taylor para comprobar cómo afectan al diagrama de radiación en el plano transversal. Además, se han variado el desfase entre elementos para conseguir apuntamiento del haz. La distribución Uniforme presenta mayores niveles de lóbulos secundarios (SLL) pero se compensa con un menor ancho de haz de media potencia (HPBW) cuando el haz está muy inclinado. Por lo tanto, se ha optado por utilizar esta distribución para la agrupación de antenas final de 8x10. El rango de barrido de la agrupación es de ±56 grados con sólo una disminución de 3 dB respecto a la directividad de la dirección broadside.

[EN] Continuous Transverse Stub (CTS) array antennas in Ka-Band with beam-steering capability using Gap Waveguide (GW) technology have been studied. The main focus has been to design antennas for Satellite Communications On-The-Move (SOTM). Antennas for this type of communication require a scanning range so that the beam can follow the user as they move. Therefore, the specifications required are high.

The three blocks into which the array antenna system can be broken down have been studied in detail. A corrugated Ridge Gap Waveguide (RGW) has been used to feed the CTS. The corrugation of the RGW shortes the guided wavelength, and hence reduce the grating lobes that occur in the radiation patterns. It has been shown that several combinations of corrugation dimensions result in the exact value of guided wavelength. In the present work, it has been chosen to be 9 mm. A transition from Rectangular Waveguide (RW) to RGW has been designed so that the proposed array antenna system can be used as a radiating element fed with a mechanical phase shifter already existing in the literature.

One of the main characteristics of the proposed antenna array is that all elements radiate the same power. Therefore, a mathematical formulation has been developed to control that the power coupled by each CTS aperture is correct. In addition, a direct relationship between the coupled power and the aperture value has been obtained. The solution to improve the reflection coefficient of the system is the use of a reactive notch.

The serial and transverse linear arrays that make up the system have been analyzed in order to gain more knowledge for the design of the final antenna array. The radiation pattern in the serial plane has turned out to be asymmetric and not centered entirely, there is an offset of 1º. The function of the notch can not only be reduced to improve the reflection coefficient since it also modifies the mathematical formulation of the coupled powers. Nevertheless, it is considered a very valid result. Different amplitude distributions such as Uniform, Chebyshev, and Taylor have been used to check how they affect the radiation pattern in the transverse plane. In addition, the phase shifts between elements have been varied to achieve beam-steering. The Uniform distribution presents higher Side Lobe Levels (SLL) but is compensated with narrower Half-Power Beamwidth (HPBW) when the beam is highly tilted. Therefore, it has been chosen to use this distribution for the final 8x10 array antenna. The scanning range of the final array is ±56 degrees with only a 3 dB decrease concerning the broadside direction directivity.