Design and development of phased-array antennas for dual-polarized weather radar applications

Phased array weather radar antennas with beam steering capabilities are suitable alternatives to weather radars with mechanically scanning reflector antennas. Dual-polarized phased-array weather radar antennas, however, demand careful assessment of the x-polar characteristics. The low x-pol radiation of polarimetric weather radar antennas is of significant importance for the proper classification and qualitative estimation of hydrometeors in illuminate volumes. Unfortunately, array antennas display changing x-pol contributions during the electronical beam steering process. Typically, the x-pol radiation will be substantially increased in the co-polar main beam direction but also in other angular directions. Consequently, it is a vital challenge to design arrays with low x-pol contribution during beam steering. In this dissertation a new phased-array weather radar concept is developed. The phased array system configuration can be used to substitute state-of-the-art weather radars with reflector antennas. Furthermore, a dense network of these phased-array radars can be used to substitute a network of high power weather radars, which are used nowadays. The research focus of this work is the development of a dual-polarized microstrip patch antenna with phased-array capability and very high polarization purity. In this regard, new graphical techniques are developed to investigate the causes and the reduction of the x-pol radiation of isolated (stand-alone) microstrip patch antennas. To further reduce the x-pol contribution of antennas, optimization methods have been investigated, evaluated and developed. For the first time in literature, differential-feed antenna arrays are compared to excitation optimized single-feed antenna arrays in their x-pol contribution in the boresight direction and during beam steering. In particular, two dual-polarized 4x8 antenna arrays have been developed and simulated by CST MWS, produced as multilayer PCB and verified at the compact antenna test range at RWTH Aachen. The results show that the x-pol contributions of arrays are significantly reduced for differentially-feed antenna arrays, even when beam steering is performed. During the azimuth scan of 120_ a record setting x-pol suppression of -45 dB and -36 dB could be measured for the horizontal and vertical polarization channels, respectively.Wetterradarsysteme mit phasengesteuerten Antennen stellen eine echte Alternative zu Wetterradarsystemen mit mechanisch drehenden Reflektorantennen dar. Dual-polarisierte phasengesteuerte Antennen müssen jedoch sehr genau in ihrem Kreuzpolarisationsverhalten verifiziert werden, um für den Wetterradarbereich von Nutzen zu sein. Die Unterdrückung der kreuzpolaren Anteile von Radarantennen ist von fundamentaler Bedeutung, um Hydrometeore mit Hilfe von polarimetrischen Wetterradarsystemen klassifizieren und qualitativ bestimmen zu können. Die hohe Anforderung an Polarisationsreinheit ist mit aktuell erhältlichen Arraydesigns nur schwierig zu realisieren, da sich die Kreuzpolarisationsunterdrückung während des elektronischen Schwenks der Hauptkeule signifikant verschlechtert. Diese Dissertation stellt ein Wetterradar Systemkonzept mit phasengesteuerter Gruppenantenne vor, welches die aktuell genutzten Wetterradare mit Reflektorantennen ablösen könnte. Der Fokus der Arbeit wurde auf die Entwicklung einer Dual-polarimetrischen, polarisationsreinen und phasengesteuerten Mikrostreifenleiterantennen gelegt. Hierbei wurden neue grafische Verfahren entwickelt, die es ermöglichen, die Generierung der kreuzpolaren Anteile von isolierten Patchantennen (Einzelpatche) zu erklären und zu minimieren. Um die kreuzpolaren Anteile weiter herabzusetzen wurden Optimierungsverfahren für Arrayantennen erforscht, bewertet und neu entwickelt. Zum ersten Mal wurden differentiell gespeiste mit einzeln gespeisten Antennenarrays in ihrem Kreuzpolarisationsverhalten während des elektronischen Schwenks der Hauptkeule verglichen. Zwei Dual- polarimetrische 4x8 Antennenarrays (differentiell gespeist und mit optimierter Phasenansteuerung) wurden zu diesem Zweck mittels CST MWS entworfen, simuliert, als Multilagenplatine gefertigt und an der Antennentestanlage der RWTH Aachen vermessen. Die Resultate zeigen, dass die Kreuzpolarisationsanteile bei differentiell gespeisten Mikrostreifenleiterantennen in Gruppenkonfiguration, selbst beim elektronischen Schwenk der Hauptkeule, signifikant minimiert werden konnten. Für einen azimutalen Scanbereich von 120_ konnte eine exzellente Kreuzpolarisationsunterdrückung zwischen -45 dB und -36 dB messtechnisch für den horizontalen und vertikalen Polarisationskanal nachgewiesen werden