SUPERVISOR
Zaker hossein Firoozeh,Abolghasem Zeidaabadi Nezhad
ذاکرحسین فیروزه (استاد راهنما) ابوالقاسم زیدابادی نژاد (استاد مشاور)
STUDENT
Saeed Mahmoodi
سعید محمودی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Design and Implementation of X-band Rotman Lens using Hard Surfaces
Surface wave (SW) excitation is typically regarded as one of undesirable mechanisms in antenna design. Techniques are available to estimate the SW contribution on unwanted coupling between antenna elements, diffraction from the edges of the substrate and scan blindness in phased arrays. Trade-off between the efficiency and bandwidth in some applications forces designers to use thicker substrate to increase bandwidth. However, in some applications, the main goal is to take advantages of SW with least possible leakage or radiated power. For example, bound SW power can be efficiently coupled into theTM_0W mode of a grounded dielectric slab (GDS) as a feeding mechanism in leaky-wave antennas.This concept is recently examined in SW based devise such as SW lenses, SW power combiners and SW-fed antennas. In previous works, the SW excitation problem on a GDS by means of slots in the ground plane is considered as a two-dimensional (2D) model to extract closed forms for the power launched as SWs, power leaked as radiation, and input admittance of a slot source. Design of surface-wave launchers (SWLs), in 2D model is based on choosing optimum slab thickness to maximize the surface-wave power excitation and to optimize impedance matching simultaneously. In this framework, However, 2D model only considers first moment of excitation and gives no vision or guarantee in terms of SW power confinement and SW power transmission. Theoretical considerations in this thesis reveals that, regardless of source position and polarization, analyzing artificial impedance surface intrinsic properties such as reflection phase and surface impedance are sufficient to identify the optimum excitation and power transmission in a SW waveguide (SWG). A systematic design strategy is presented which describes the implementation of SWGs using SWLs. This design strategy is based on a hard surface concept that simultaneously guarantees mode purity, launching efficiency, SW power confinement and preventing backward SW propagation. In compare with full-wave evaluating SW excitation performance of a slot antenna near the GDS, this approach is computationally more efficient. In addition to confirming the 2D model’s precise results, the proposed technique paves the physical interpretations and the way for the optimum design of SWGs. By interpretation of intrinsic properties of GDS, we show that, due to improper boundary conditions of GDS, optimum SW confinement is not possible. We modify the boundary conditions to hard surface and demonstrate a SWG based on bow-tie type self-complementary metasurface. Main idea in the proposed approach is that a SWL is intrinsically an antenna. Generally, the hard surface provides maximum mutual coupling between arbitrarily polarized antennas located on the same ground plane. So for maximum power transmission between two SWLs, ground plane must be hard surface. Also, challenge in pure mode excitation comes from the fact that cross polarization of SWL is not zero and in practice, the excitation of pure mode is impossible. For a specific$TM_0$WL, one can see that although TE radiation/excitation due to a slot antenna in main beam is negligible, but depend of natural properties of SWL, in some angles even it could be dominant. Hard surface by definition against TE waves acts like a high impedance surface, so there is no possibility for excitation and propagation of TE waves. The third challenge is the transverse and longitudinal components of non-TEM, TE, and TM modes in the slab which have sinusoidal characteristics. This dependency in the third dimension questions the validity of traditional 2D models such as Rotman lens equations for SW based lenses. In hard waveguides, due to the reduction of thickness and excitation of TEM mode transmission, sinusoidal dependency is eliminated. According to the proposed concept, a novel compact broad-band SWL based on quasi Yagi–Uda slot antenna is presented. In the second step, a novel SW Rotman lens based on the proposed hard surface is designed and fabricated. In comparison to a conventional microstrip Rotman lens with similar size, the proposed hard SW lens shows higher scanning capability with the same SLL performance. The new lens is expected to show lower mutual coupling than the conventional lenses at millimeter-wave frequencies. Keywords: Artificial impedance surfaces, Rotman lens, Reflection phase, Hard surface, Surface-wave launcher
تحریک امواج سطحی در طراحی آنتن عموما به عنوان یک سازوکار نامطلوب تلقی میشود. این تحریک ناخواسته در تزویج متقابل بین عناصر آنتن، پراش از لبههای زیرنهشت و همچنین کوری جاروب آنتنهای آرایهفازی تاثیر گذار و روشهایی برای محاسبه آن در دسترس است. در بعضی موارد بدهبدستان بین بازدهی و پهنای باند، طراحان را وادار به استفاده از زیرنهشتهای ضخیمتر برای دستیابی به پهنای باند بیشتر میکند. اما در بعضی کاربردها هدف اصلی استفاده بهینه از مزایای موج سطحی و تلاش برای کمینهسازی توان موجنشتی و تشعشعی است. به عنوان مثال توان حبسشده موج سطحی میتواند بهطرز مناسبی از طریق تزریق موج سطحی مد TM_0 یک تختهعایق زمینشده بهعنوان یک سازوکار تحریک در آنتنهای موجنشتی مورد استفاده قرار گیرد. این مفهوم بتازگی در تجهیزات مبتنی بر موج سطحی نظیر عدسیها ، ترکیبکنندههای توان و آنتنهای تحریک از موج سطحی بکارگیری شده است. در مطالعات قبلی، مسئله تحریک موج سطحی ناشی از یک آنتن شکافی به داخل تخته عایق زمینشده توسط یک مدل دوبعدی تحلیل شده است. این مدل فرم بستهای برای محاسبه توان موجسطحی، توان موجنشتی و ادمیتانس شکاف ارائه میدهد. رهیافت استفادهشده در این مدل براساس انتخاب ضخامت بهینهای برای بیشینهکردن توان تزریقشده به داخل تختهعایقی و بهینهسازی تطبیق شکاف بطور همزمان است. این ضخامت بهینه تنها اولین لحظه تزریق موجسطحی به داخل تختهعایقی را درنظر میگیرد. بنابراین نه تنها تضمین بلکه هیچ نوع بینشی نسبت به حبس و انتقال بهینه توان موج سطحی نمیدهد. بر اساس ملاحظات نظری این پایاننامه، تحلیل ویژگیهای ذاتی سطح امپدانس مصنوعی موجبر نظیر فاز انعکاسی و امپدانس سطحی فارغ از موقعیت و قطبش منبع تحریک، به تنهایی برای تعیین پاسخ نظری تحریک و انتقال بهینه موج سطحی کافی است. با این مفهوم یک روند طراحی نظاممند برای پیادهسازی موجبرهای موجسطحی درحضور پرتابکنندههای موجسطحی ارائه شده است. این رویکرد بر مبنای مفهوم سطوح سخت است که بطور همزمان تحریک خالص مد، بازدهی پرتاب موج سطحی، حبس توان موج سطحی و ممانعت از انتشار موج سطحی به سمت مخالف را تضمین میکند. این رویکرد برتری قابل توجهی بهلحاظ بار محاسباتی نسبت به تحلیل تمامموج ارائه میدهد. تحلیل ویژگیهای ذاتی موجبر، علاوه بر تفسیر فیزیکی و تایید بسیار دقیق نتایج مدل دوبعدی، راه را برای طراحی یک موجبر موجسطحی بهینه هموار میسازد. با تفسیر ویژگیهای ذاتی تختهعایق زمینشده نشان خواهیم داد، بهدلیل تشکیل شرایط مرزی نامناسب، این موجبر قادر به حبس بهینه توان موج سطحی نیست. بنابراین با اصلاح شرایط مرزی به سطح سخت، یک موجبر سخت موج سطحی مبتنی بر ساختارهای فراسطح خود-مکمل پاپیونیشکل ارائه میدهیم. ایده اصلی در رویکرد پیشنهادی اینست که یک پرتابکننده موجسطحی ذاتا یک آنتن است. بطور کلی سطح سخت تزویج بیشینه میان دو آنتن با پلاریزاسیون دلخواه قرار گرفته روی یک صفحه زمین یکسان را فراهم میکند. بنابراین در صورتیکه هدف انتقال بیشینه توان بین دو پرتابکننده موجسطحی باشد، سطح زمین بایستی از نوع سخت باشد. همچنین چالش تحریک تکمد خالص موج سطحی از این حقیقت ناشی میشود که تراز قطبش متعامد پرتابکننده موجسطحی صفر نیست. بنابراین تحریک تکمد خالص در عمل غیرممکن است . برای پرتابکننده موجسطحی TM_0 نوعی، بسادگی میتوان نشان داد که اگرچه تحریک و یا تشعشع موج TE در گلبرگ اصلی ناچیز است اما در برخی زوایای گلبرگهای کناری، میزان تحریک مد موجسطحی TE نسبت به TM میتواند بیشتر باشد. بنا به تعریف، سطح سخت در برابر یک موج با قطبش TE امپدانس بینهایت از خود نشان میدهد. بنابراین کوچکترین امکانی برای تحریک و انتشار جزیی امواج TE وجود نخواهد داشت. علاوه بر نیاز به انتقال بهینه توان موجسطحی، چالش دیگر وابستگی شبهسینوسی میدانهای موجسطحی ناشی از تحریک موج سطحی TM یا TE است. این وابستگی در بعد سوم، اعتبار مدلهای دوبعدی کلاسیک طراحی عدسی را برای طراحی عدسیهای مبتنی بر موجسطحی خدشهدار میکند. در یک موجبر سخت بهدلیل کاهش ضخامت و ارسال مد TEM این وابستگی حذف خواهد شد. برمبنای مفهوم پیشنهادی به عنوان کاربردی برای تحقق آزمایشگاهی، ابتدا یک پرتابکننده موجسطحی باند وسیع با ابعاد فشرده و با الهام از سازوکار عملکرد آنتن شبهیاگی-یودا ارائه میشود. در ادامه یک عدسی روتمن موجسطحی مبتنی بر موجبر سخت طراحی و پیادهسازی میشود. عدسی موجسطحی پیشنهادی در مقایسه با عدسی میکرواستریپی معادلش، ضمن برابری تراز گلبرگ کناری، قابلیت روبش زاویهای بیشتری دارد. انتظار میرود عدسی پیشنهادی در فرکانسهای موجمیلیمتری نسبت به عدسی معادش، بهلحاظ تزویج متقابل درگاهها وضعیت مناسبتری داشته باشد. کلمات کلیدی: سطوح امپدانس مصنوعی، امواج سطحی، عدسی روتمن، فاز انعکاسی، سطوح سخت، پرتابکننده موجسطحی