شماره ركورد
28514
پديد آورنده
سعيد كميليان
عنوان
طراحي و ساخت آرايه آنتني كانفرمال ضدجمينگ GNSS با استفاده از شكلدهي پرتو هايبريد
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي برق
سال تحصيل
1392
تاريخ دفاع
1402/04/11
استاد راهنما
مجيد طيراني
استاد مشاور
سيدحسن صديقي
دانشكده
مهندسي برق
چكيده
در مطالعه حاضر بهمنظور ساخت آرايه آنتني كانفرمال ضدجمينگ GNSS در گام اول آنتن پچ مايكرواستريپ طراحي شده است. قيود طراحي آنتن، عملكرد در باند فركانسي GPS L1 و GLONASS G1 ، داشتن پلاريزاسيون دايروي و ابعاد كوچك در نظر گرفته شده است. باتوجهبه اينكه در طراحي آنتن پارامترهاي عملكردي به يكديگر وابسته ميباشند و بهبود يك پارامتر، مطلوبيت ساير پارامترها را تحتتأثير قرار ميدهد، لذا چند آنتن پچ مايكرواستريپ با ويژگيهاي هندسي و پارامترهاي عملكردي منحصربهفرد جهت كاربردهاي متفاوت طراحي شده است.
اولين آنتن طراحي شده يك آنتن پچ مايكرواستريپ كوچكسازي شده، كمهزينه، چند تغذيه و داراي پلاريزاسيون دايروي ميباشد. آنتن پيشنهادي هر دو باند L1 و G1 را دريافت ميكند. استفاده از ساختار هندسي شبه تكرارشونده در طراحي آنتن منجر به كوچكسازي آن با ضريب تراكم 37 درصد شده است. آنتن نهايي داراي ابعاد كمتر از 1800 ميليمترمربع ميباشد كه در دستهي آنتنهاي فشرده و نازك قرار ميگيرد. جهت توليد پلاريزاسيون دايروي با خلوص مطلوب، از شبكه 3 تغذيهاي با شيفت فاز 120 درجه بين پورتهاي تغذيه استفاده گشته است. شبيهسازي عملكرد آنتن با استفاده از نرمافزار CST انجام و جهت اعتبارسنجي، شبيهسازي در نرمافزارهاي FEKO و HFSS تكرار شده است. نتايج همپوشاني مطلوبي دارد. آنتن طراحي شده داراي نسبت FBR 40 دسيبل، بهره RHCP 3.45 دسيبل، پهناي پرتو نسبت محوري 108 درجه و تغييرات مركز فاز (PCV) كمتر از 0.16 ميليمتر ميباشد. در ادامه بر مبناي آنتن معرفي شده، آرايه آنتني 7 الماني مسطح طراحي شده است. اثرات كوپلينگ متقابل، تعداد منابع تداخل، پلاريزاسيون، نسبت توان تداخل به سيگنال و اثر شيفت فاز گسسته در آن مورد ارزيابي قرار گرفته است. جهت حذف تداخل يك الگوريتم تطبيقي كور نوين با متغير تناوبي گسسته (DPVA ) به آرايه اعمال شده است. مبناي عملكرد الگوريتم پيشنهادي، كمينه نمودن توان خروجي براي ايجاد بهرهي صفر (نزديك به صفر) در راستاي تداخل ميباشد. شيفت فاز گسستهاي كه در اين الگوريتم لحاظ شده، امكان استفاده از شيفت دهندههاي فاز هايبريد را فراهم ميكند كه اين مهم باعث كاهش هزينه ساخت ميشود. نتايج شبيهسازي حاكي از همگرايي سريع و مطمئن الگوريتم DPVA ميباشد. اين الگوريتم در كمتر از 1 ميليثانيه و با 400 تكرار در نمونه مورد بررسي همگرا ميشود. عمق صفر ايجاد شده 90 دسيبل است كه بيانگر حذف كامل تداخل ميباشد.
در بخش ديگر اين تحقيق، تئوري پيكربندي چند تغذيه براي ايجاد پلاريزاسيون دايروي مورد بررسي قرار گرفته و پارامترهاي اثرگذار بر خلوص پلاريزاسيون ارزيابي شده است. سپس با استفاده از نتايج تحليل پيكربندي چند تغذيه يك آنتن ميكرواستريپ چهار تغذيه و دوبانده (L1,L2) طراحي شده است. اين آنتن داراي مساحت 1548 ميليمتر مربع بوده و بسيار ارزان و فشرده و با قابليت ساخت آسان بهحساب ميآيد. با استفاده از كوپلر در شبكه تغذيه اختلاففاز لازم پورتهاي تغذيه آنتن در هر دو فركانس ايجاد ميشود. بررسي الزامات شبكه تغذيه طراحي شده با نرمافزار ADS انجام شده است. عملكرد آنتن با شبيهسازي در نرمافزار CST مورد ارزيابي قرار گرفته است. اين آنتن در فركانسهاي L1 و L2 داراي پهناي باند 48 مگاهرتز، FBR 14 دسيبل و پهناي پرتو نسبت محوري بيش از 66 درجه ميباشد.
سومين آنتن طراحي شده، يك آنتن مايكرواستريپ ارزان، منعطف، ساده و داراي ساخت آسان و همچنين با بازده تشعشعي بسيار بالا ميباشد. آنتن معرفي شده باندهاي L1، G1، E1 و B1 را دريافت ميكند. خاصيت انعطافپذيري اين آنتن منجر به استفاده از آن در دامنه وسيعي از كاربردها با هندسههاي مختلف ميگردد. آنتن پيشنهادي تك تغذيه ميباشد. استفاده از پيكربندي تك تغذيه با كابل كواكسيال و زيرلايه بسيار نازك FR4 منجر به ساخت آسان و ارزان ميشود. هندسه آنتن با ايجاد يك متوازيالاضلاع، نامتقارن شده؛ لذا جريان مغشوش گشته و مودهاي متعامد ايجاد ميشوند. با انجام تحليل مودال، محل تغذيه جهت تحريك مودهاي متعامد و توليد پلاريزاسيون دايروي مشخص شده است. پس از ساخت آنتن نتايج شبيهسازي و تست آزمايشگاهي ارزيابي شدهاند. بهره RHCP اين آنتن 5.84 دسيبل، FBR 21.3 دسيبل، پهناي پرتوي نسبت محوري 154 درجه، PCV كمتر از 1.2 ميليمتر و بازده آن بالاي 90 درصد ميباشد.
در ادامه، آرايه مسطح و كانفرمال 7 الماني با استفاده از آنتن سوم طراحي و ساخته شده است. در بررسي اثر كانفرمال، نتايج نشان ميدهد كه بهره RHCP آرايه كانفرمال (8.91 دسيبل) نسبت به آرايه مسطح (7.7 دسيبل) بالاتر است. همچنين پهناي بيم RHCP در آرايه كانفرمال حدود 15 درجه بيشتر از آرايه مسطح ميباشد. از لحاظ تلفات و بازده، آرايه كانفرمال داراي بازده بالاتر و تلفات كمتر ميباشد. در نهايت جهت حذف بيشتر تداخل در فركانسها و زواياي غيرمطلوب، يك ساختار FSS منعطف و ارزان بهعنوان فيلتر فركانسي - فضايي طراحي و ساخته شده است. عملكرد ساختار FSS شبيهسازي شده و با نتايج تست آزمايشگاهي تطبيق مناسبي داشت. در حوزه فيلتر فضايي در بازه پهناي پرتو 80 درجهاي، 90 درصد امواج عبور مييابد و در حوزه فيلتر فركانسي، اين ساختار داراي پهناي باند 180 مگاهرتز با فركانس مركزي 1.6 گيگاهرتز ميباشد.
تاريخ ورود اطلاعات
1402/04/25
عنوان به انگليسي
Design and Manufacture of GNSS Anti-Jamming Conformal Antenna Array Using Hybrid Beamforming
تاريخ بهره برداري
7/1/2024 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سعيد كميليان
چكيده به لاتين
In the present study, to build a conformal anti-jamming GNSS antenna array, at first a microstrip patch antenna should be designed. The antenna design requirements contain operation in GPS L1 and GLONASS G1 frequency bands, having circular polarization and also, small dimensions. In the antenna design process, due to the interdependence of the parameters, improving one parameter affects the desirability of others. Therefore, three microstrip patch antennas with different unique geometric features and also unique performance parameters have been designed for special applications.
The first designed antenna is a miniaturized, low-cost, multiple-feed, circularly polarized microstrip patch antenna. The proposed antenna receives both L1 and G1 bands. The use of semi-fractal geometric structure has led to its miniaturization, with a compression ratio of 37%. The final geometry of the antenna has dimensions of less than 〖1800 mm〗^2, which is counted as compact and thin antennas. In order to generate pure circular polarization, a three-feed configuration with 120° phase shift between the feeding ports have been used. Simulation of the antenna performance has been done using CST software and for validation, simulation was repeated in FEKO and HFSS software. The designed antenna has FBR of 40 dB, RHCP gain of 3.45 dB, axial ratio beam-width of 108° and phase center variation (PCV) less than 0.16 mm. In the following, based on the designed antenna, a planar 7-element antenna array has been introduced. The effects of mutual coupling, number of interference sources, polarization, the ratio of interference to signal power, and also discrete phase shift, have been evaluated. To remove the interference, a new blind adaptive algorithm with discrete periodic variable (DPVA) has been applied to the array. The proposed algorithm minimizes the output power to create null in the direction of the interference. The discrete phase shift leads to use of hybrid phase shifters, which reduces manufacturing costs. The simulation results indicate the fast and reliable convergence of the DPVA algorithm. This algorithm converges in less than 1 millisecond and with 400 iterations in the examined sample. The null depth is 90 dB, which indicates the complete elimination of the interference.
In the other part of this investigation, the theory of multiple-feed configuration has been analyzed to generate circular polarization. Then, a parametric study has been done to evaluate the effect of different parameters on the circular polarization purity. By using the results of multiple-feed configuration analysis, a four-feed, dual-band (L1, L2) microstrip antenna has been designed. This antenna has an area of 1548 〖mm〗^2 and is low-cost, compact with easy fabrication feature. By using a coupler in the feeding network, the necessary phase difference has been created in both frequencies. ADS and CST software have been used to evaluate the feeding network requirements and the antenna performance, respectively. This antenna has a bandwidth of 48 MHz, FBR of 14 dB and axial ratio beam width of more than 66° in both frequencies.
The third designed antenna is a low-cost, flexible, simple microstrip antenna with very high radiation efficiency. The introduced antenna receives L1, G1, E1 and B1 bands. The flexibility of this antenna leads to its use in a wide range of applications with different geometries. The antenna has single-feed configuration. The use of a single-feed configuration with a coaxial cable and a very thin FR4 substrate leads to easy and low-cost fabrication. A parallelogram has been created on the patch as a defect. Therefore, orthogonal modes have been generated. By conducting modal analysis, the feeding location has been determined to excite orthogonal modes and produce circular polarization. The performance of the fabricated antenna was tested, which validates the simulation results. The RHCP gain of this antenna is 5.84 dB, the FBR is 21.3 dB, the axial ratio beam width is 154°, the PCV is less than 1.2 mm, and efficiency is over 90%.
In the following, the planar and conformal 7-element array has been designed, using the third antenna. In examining the conformal effect, results show that the RHCP gain of the conformal array (8.91 dB) is higher than the planar one (7.7 dB). Also, the RHCP beam-width in the conformal array is about 15° more than the planar type. In terms of losses and efficiency, the conformal array has higher efficiency and lower losses. Finally, to further remove the interference at unwanted frequencies and angles, a flexible and low-cost FSS structure has been designed and fabricated as a frequency-spatial filter. The performance of the simulated FSS structure is in good agreement with the laboratory test results. In the spatial filter, 90% of the waves are passed in the 80° beam-width domain. In the frequency filter, this structure has a bandwidth of 180 MHz with a central frequency of 1.6 GHz.
كليدواژه هاي فارسي
آنتن پچ مايكرواستريپ , ساختار هندسي شبه تكرارشونده , پيكربندي چند تغذيه , آرايه آنتني كانفرمال , الگوريتم تطبيقي كور , بهينهسازي , حذف تداخل , تحليل مودال
كليدواژه هاي لاتين
Microstrip Patch Antenna , Semi-Fractal Geometric Structure , Multiple-Feed Configuration , Conformal Antenna Array , Blind Adaptive Algorithm , Optimization , Interference Elimination , Modal Analysis
Author
Saeed Komeylian
SuperVisor
Majid Tayarani