Heijastusryhmäantenni 120 GHz:n tutkasovellukseen - antennielementtien karakterisointi lähikenttämittauksin

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-06-16
Department
Major/Subject
Radiotiede ja -tekniikka
Mcode
S3012
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka
Language
en
Pages
83
Series
Abstract
Tämän diplomityön käsittelemä heijastusryhmäantenni, jota tutkitaan lähikenttämittauksin, on suunnitteilla 120 GHz:n lähialueen millimetriaaltotutkasovellukseen. Kehitteillä oleva sähköisesti keilaava heijastusryhmäantenni sisältää noin 3700 antennielementtiä, joita ohjataan mikrosähkömekaanisilla (MEMS) vaiheensiirtimillä. Ennen sähköisesti keilaavaa prototyyppiä antennista on valmistettu mittauksia varten staattiset versiot, joissa MEMS-vaiheensiirtimet on korvattu siirtojohdoilla, ja niiden pituutta muuttamalla aikaansaadaan sopiva vaiheensiirto. Sen toimintaperiaate, suunnitteluperusteet, analyysi ja valmistettujen antennien ominaisuudet on selitetty työn kirjallisuuskatsauksessa. Antennin säteilykuviot on mitattu kolmen metrin etäisyydeltä, ja niitä on verrattu laskennallisiin vastaaviin. Tasoaaltospektri ja diffraktiohyötysuhde on määritetty mittaamalla antennin apertuurikenttää lähietäisyydeltä. Yksittäisten antennielementtien karakterisointiin kehitetty heijastusmittausmenetelmä on mallinnettu kalibroinnin ja mitattujen parametrien erottelun varmistamiseksi. Mitatut säteilykuviot vastaavat hyvin laskennallisia keilanleveyden ja -suunnan osalta, mutta mitatussa tasoaaltospektrissä havaittiin voimakas peiliheijastuskomponentti. Valmistetuissa antenneissa ilmeni ylietsaantumista, mikä kasvattaa elementtien resonanssitaajuutta. Sen havaittiin kasvaneen noin 132.7 GHz:iin, missä pääkeilan amplitudi oli 7.4-8.7 dB:ä suurempi kuin 120 GHz:llä mitatuissa. Tutkittavalla heijastusmittausmenetelmällä onnistuttiin erottelemaan sekä amplitudi että suhteellinen vaiheensiirto erilailla viritetyille elementeille. Heijastuskertoimen vaiheensiirto sijoittuu 20 asteen ja 190 asteen välille ja suunniteltu 90 asteen vaiheensiirto saavutettiin vain avoimella piirillä päätetyllä 195 µm:n ja oikosuljetulla 200 µm:n siirtojohdolla. Mitattu diffraktiohyötysuhde vaihtelee 0.02:n ja 0.2:n välillä, mikä on linjassa tasoaaltospektristä holografisella projektiomenetelmällä määritetyn kanssa.

This thesis presents the near-field measurements of a 120-GHz reflectarray (RA), which is developed to a short distance millimeter-wave radar application. The reconfigurable RA under development consists of 3700 coplanar patch antenna (CPA) elements, which are controlled by micro-electro-mechanical (MEMS) phase shifters. Static prototype RAs preceding the MEMS-controlled one are manufactured for measurements. The fundamentals of reflectarray design and analysis are described followed by an introduction of the main characteristics of the manufactured static reflectarrays. Beam patterns are measured at a 3-m distance and compared with the calculated ones. The plane-wave spectrum (PWS) and the diffraction efficiency of the reflectarray are determined with near-field imaging of the antenna aperture field. A reflection measurement method is developed for characterization of the individual antenna elements in the RA. The method has been modeled to validate the functionality of calibration and parameter extraction. The measured beam patterns are in a good agreement with calculations in beam width and direction, but the presence of a strong specular component was observed in the measured PWS. RAs suffer from over-etching, which increases the resonant frequency. It is estimated to be 132.7 GHz, where the level of the main beam is increased 7.4-8.7 dB compared to those measured with 120 GHz. The proposed reflection measurement method proved to be sufficient for distinguishing the differently tuned elements in both amplitude and phase. The measured phase shift of the reflection coefficient varies from 20 degrees to 190 degrees and the designed phase shift of 90 degrees is reached only with open-ended 195 µm and short-circuited 200 µm stubs. The measured diffraction efficiency is in range of 0.02-0.2 for differently tuned elements and it is in line with one calculated by a method based on computational back-propagation of the measured PWS.
Description
Supervisor
Räisänen, Antti
Thesis advisor
Tamminen, Aleksi
Keywords
reflectarray, near-field measurements, millimeter-wave, waveguide calibration, beam pattern measurements, heijastusryhmäantenni, lähikenttämittaus, millimetriaalto, kalibrointi, säteilykuvion mittaus
Other note
Citation