Multi-beam antenna array with sequential rotation of elements

Abstract

This paper presents a theoretical investigation of an antenna array employing sequential rotation of elements to generate four switchable beams. Cavity-backed antenna elements are investigated to address applications requiring high-quality polarization characteristics over a wide solid angle. Simulations of the individual components of the proposed design, specifically the slot radiator and the beamforming network, as well as the complete antenna array incorporating phase compensation, have been performed. The amplitude-phase characteristics of the beamforming network, along with the radiation pattern, polarization, and impedance matching characteristics of the slot radiator across the operating band, are analyzed. Furthermore, the RF performance characteristics of the antenna array are calculated, and the generated beams are evaluated. The advantages of the proposed antenna, namely its compactness and ease of manufacturing, are highlighted. The proposed antenna array achieves high axial ratio values for each of the four generated beams within the specified coverage area, making it highly suitable for communication and radionavigation systems.

• antenna array
• feed network
• cavity-backed
• circular polarization
• axial ratio
• radiation pattern

Аннотация (на русском)

Многолучевая антенная решетка с последовательным вращением элементов

В настоящей работе проведено теоретическое исследование антенной решетки с последовательным вращением ее элементов для получения четырех переключаемых лучей. Исследованы антенные элементы с экраном в виде полости для решения задач, в которых требуется обеспечение качественных поляризационных характеристик в широком телесном угле. Выполнено моделирование отдельных узлов предложенного решения в части щелевого излучателя и диаграммобразующей схемы, а также антенной решетки с учетом фазовой компенсации. Проведен анализ амплитудно-фазовых характеристик диаграммобразующей схемы, а также характеристик направленности, поляризации и согласования щелевого излучателя в диапазоне рабочих длин волн. Кроме того, произведен расчет радиотехнических характеристик антенной решетки, проведена оценка формируемых лучей. Отмечены преимущества предложенной антенны в виде компактности и простоты изготовления. Предложенная антенная решетка позволяет получить высокие значения коэффициента эллиптичности для каждого из четырех формируемых лучей в заданном секторе рабочих углов применительно к системам связи и радионавигации.

For citation

References

1. Y. Liu, C. Wang, and X. Zhang, “Broadband Circularly Polarized Antennas for GNSS Applications: A Comprehensive Review,” in IEEE Access, vol. 11, pp. 45123-45140, 2023.
2. M. A. Alsunaidi, S. F. Mahmoud, and A. R. Sebak, “A Circularly Polarized Antenna for LEO Satellite Communications and Navigation,” 2023 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (USNC-URSI), Portland, OR, USA, 2023, pp. 1102-1103.
3. S. Gao, Y. Qin, and J. Li, “Circularly Polarized MIMO Antennas for 5G and Satellite Communications: Isolation and Pattern Diversity,” in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 70, no. 8, pp. 6543-6554, 2022.
4. C. T. Rizos, A. G. Dempster, and P. J. G. Teunissen, “Modern Multi-GNSS PNT Services and Antenna Requirements for High-Accuracy Applications,” in GPS Solutions, vol. 27, no. 2, art. no. 85, 2023.
5. A. F. Morabito, L. Lucci, and G. Macchiarella, “Advanced Multi-Frequency GNSS Antennas for Precise Point Positioning and Timing,” in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 58, no. 4, pp. 3210-3222, 2022.
6. J. Wang, H. Liu, and Y. Zhang, “A Compact Circularly Polarized Antenna Array with High Gain for CubeSat and LEO Communications,” in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 22, no. 5, pp. 1156-1160, 2023.
7. D. Borio, C. O'Driscoll, and G. Lachapelle, “Anti-Jamming Controlled Reception Pattern Antennas for GNSS: Architectures, Algorithms, and Recent Advances,” in IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 38, no. 3, pp. 42-57, 2023.
8. X. Zhang, L. Ge, and Y. Li, “A Sequentially Rotated Circularly Polarized Antenna Array with Wide Axial-Ratio Beamwidth,” 2024 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and INC/USNC-URSI Radio Science Meeting, Washington, DC, USA, 2024, pp. 894-895.
9. R. K. Sharma, S. K. Mishra, and P. C. Pandey, “Design of a Multi-Band Ground Station Antenna for NavIC and GPS Signal Monitoring,” 2023 International Conference on Intelligent Technologies (CONIT), Hubli, India, 2023, pp. 1-5.
10. L. Ge, X. Zhang, and J. Wang, “A Wide-Angle Circularly Polarized Antenna With Low Profile for LEO Satellite and Vehicular Applications,” in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 72, no. 7, pp. 8512-8521, 2023.