Circular waveguide antenna arrays on spherical structures

Konformni antenski nizovi, odnosno konformne antene su nizovi koji se prilagođavaju podlozi na koju su postavljene. Kao antenski elementi konformnih nizova u mikrovalnom frekvencijskom području često se koriste otvori na konformnoj strukturi. Valovodom pobuđeni otvori su poznati po velikoj širini glavne latice, simetričnom polju kod antenskog skeniranja, dobrom prilagođenju impedancije (admitancije) te karakteristici ponašanja visokopropusnog filtra (zbog granične frekvencije valovodnih modova). Veliki kut skeniranja uz dovoljno male dimenzije jedna su od važnijih karakteristika konformnih nizova s otvor antenama. U radu su teoretski analizirani i eksperimentalno izmjereni su bitni parametri antenskih nizova na sfernoj podlozi pri čemu su kao elementarne antene korišteni valovodi kružnog poprečnog presjeka. U svrhu analize razvijen je teorijski model, odnosno numerička metoda zasnovana na numeričkom rješavanju integralne jednadžbe za magnetsko (električno) polje primjenom metode momenata. Spektralnom metodom je trodimenzionalni problem transformiran u spektar jednodimenzionalnih problema, što je znatno pojednostavilo i ubrzalo rješavanje analiziranih problema. Pri izračunu parametara niza korištene su Greenove funkcije za sferne strukture u spektralnoj domeni. Na temelju razvijene metode analize izrađen je računalni program za izračun ulazne admitancije, sprege između valovoda na sferi te dijagrama zračenja (i polarizacije) valovodnih antenskih nizova na sfernoj podlozi. Da bi se pri izračunu sprege izbjegli numerički problemi, uvedene su modificirane vektor- Legendreove transformacije i normalizirani Legendreovi polinomi. Osim toga, pri izračunima su korišteni asimptotski izrazi za Besselove i Hankelove funkcije. Pri izračunu sprege uvedena je nova metoda kod koje su, korištenjem analogije sa metodom potencijala te adicionog teorema za sferne harmonike, određeni izrazi za ekvivalentne struje u spektralnoj domeni na otvoru valovoda. Ovom metodom je značajno smanjeno vrijeme za izračun koeficijenata sprege. Utjecaj zakrivljenosti podloge na parametre antene razmatran je izračunom svih bitnih parametara valovodnog antenskog niza na sferi (ulazna admitancija, koeficijenti sprege, međuadmitancija i dijagramim zračenja) i usporedbom istih za različite radijuse sferne podloge. Teorijski model je verificiran izveden korištenjem mjerenih rezultata iz dostupne literature te mjerenjem na izvedenim laboratorijskim modelima (dva planarna i dva sferoidalna modela). Na oba laboratorijska modela načinjena su mjerenja sprege i dijagrama zračenja. Ova mjerenja nisu izvedena u bezječnoj komori, što je rezultiralo na pojavom neželjenih reflektiranih valova, a time i odstupanjima i valovitosti u izmjerenim karakteristikama antene. U svim izmjerenim slučajevima postignuto je dobro poklapanje izračunatih i izmjerenih rezultata, čime je potvrđena ispravnost teorijskog modela i prema njemu izvedenog računalnog programa.considerations other than electromagnetics. Usually, a conformal antenna is cylindrical, spherical or some other shape, with radiating elements mounted on or integrated into the smoothly curved surface. Radiation elements – elementary antennas of these arrays are usually used aperture antennas. Apertures are microwave antennas that are usually loaded with rectangular or cylindrical waveguides. The radiation pattern of a single waveguide opening is very broad. In the thesis we studied a spherical array of circular waveguides antennas with the apertures placed on the spherical surface. The analysis is based on solving the integral equation for a magnetic field by using the moment method (MoM). The solution procedure takes advantage of the spectral domain approach where a three-dimension problem is transformed into spectral of much simpler onedimension problem. The antenna structure is rigorously taken into account by using proper Green’s functions, and the array is fully analyzed by using the element-by-element approach. A theoretical model to determine solutions for a radiation pattern, mutual coupling and input admittance was developed. We have also made the program for calculating radiation pattern, mutual coupling and input admittance of spherical waveguide arrays based on the developed MoM and spectral-domain approach. In order to avoid numerical problems, when we calculate mutual coupling, a modified vector- Legendre transformation and normalized Legendre polynomials are defined and applied to the solution procedure. We have also used asymptotic equations for Bessel and Hankel functions. This thesis demonstrates a novel approach to mutual coupling within the MoM analysis of spherical arrays by expressing the equivalent current on the waveguide aperture in terms of two suitable potential-like auxiliary functions. The new approach results in significant acceleration of the analysis of spherical antenna arrays. The influence of structure radius on input impedance, mutual coupling and radiation pattern was also investigated. In the proces of verifying theoretical results we had to built two planar and two spherical experimental models. On the spherical surface, antenna elements are placed at equidistant positions on the surface of the icosahedron. The developed theoretical model and program have been verified against measurements and results from the literature. Measurement was not performed in a well-defined anechoic chamber. The results show a very good agreement between the measured and the calculated results