350 rub
Journal Antennas №10 for 2011 г.
Article in number:
Reflector Antennas Fed by Active Phased Arrays
Keywords: array-fed reflector antenna active phased array multibeam antenna contour beam antenna satellite communications
Authors:
I. L. Vilenko, Yu. V. Krivosheev, A. V. Shishlov
Abstract:
Array-fed reflector antenna is a system consisting of a large-aperture reflector used to provide high directivity of the beam and a feed array used for beam steering or forming a multibeam structure in a limited field-of-view. Lately array-fed reflectors find more and more applications in satellite communications, radio astronomy and radars. In the known publications on array-fed reflector anten-nas many specific constructions and models of such antennas and their parts are considered, and optimization procedures based on numerical algorithms are carried out. This article describes parametrical synthesis of the active-array-fed reflector antenna with two-dimensional scanning by using the approach based on geometrical optics and physical optics. Structure of electromagnetic field to be excited by the feed-array is considered. Algorithms for determination of the feed array position and configuration as well as design of clusters (groups of array ele-ments used to form a beam) are described. Relationships between field-of-view, amount of array elements and f/D-ratio of the antenna are provided. The method for evaluation and optimization of gain, equivalent isotropically radiated power, and gain-to-noise-temperature is proposed. The method is used for calculation of the antenna radiation characteristics by using data of measurements of a large reflector geometry and an active array radiation characteristics. Estimation of the antenna effectiveness is given. The described approach is illustrated by computer simulation of the multibeam antenna as well as similar antenna with contour-beam for satellite communications and broadcasting.
Pages: 22-42
References
  1. Tang, C. H., Chu, R. S., Hybrid antenna configurations for limited electronic scanning. NEREM-74. Rec. Boston, Mass. 1974. Newton. Mass. 1975. P. 184-188.
  2. Mailloux, R. J., Hybrid antennas. Handb. Antenna Des. 1982. V. 1. London. P. 415-465.
  3. Galindo-Israel, V., Shung-Wu Lee,and Raj Mittra. Synthesis of a Laterally Displaced Cluster Feed or a Reflector Antenna with Application to Multiple Beams and Contoured Patterns // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1978. V. AP-26,№2.P. 220-228.
  4. Rahmat-Samii Y., Lee, S.-W. Directivity of Planar Array Feeds for Satellite Reflector Applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1983. V. AP-31. № 3.
    P. 463-470.
  5. Lam, P.T., Lee, S. W., Chang, D.C. D., Lang, K. C., Directivity Optimization of a Reflector Antenna with Cluster Feeds: A Closed-Form Solution // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1985. V. AP-33. № 11. P. 1163 - 1174.
  6. Бахрах Л. Д., ГалимовГ. К.Сканирующие зеркальные антенны. М.: Наука. 1981.
  7. Алимова Л.И., Кинбер Б. Е., Классен В. И., Шишлов А. В.Возможности широкоугольного сканирования в гибридных зеркальных антеннах // Радиотехника и электроника. 1981. Т. 26. № 12. С. 2500-2510.
  8. Алимова Л. И., Кинбер Б. Е., Классен В. И.,Шишлов А. В.Асимптотическая теория гибридных зеркальных антенн // В сб. «Прикладная электродинамика». M.: Высшая школа. 1983. Вып. 6. С. 258-290.
  9. Кинбер Б. Е.,Классен В. И., Тоболев А. К., Шишлов А. В. Экспериментальная проверка отклонения луча гибридной зеркальной антенны в широком секторе углов // Радиотехника и электроника. 1984. Т. 29. № 8. С. 1462 - 1471.
  10. Классен В.И., Кинбер Б. Е., Шишлов А. В., ТоболевA. K.Гибридные и полифокальные антенны // Антенны. M.: Радио и связь. 1987. С. 3-24.
  11. Sorbello, R. M.; Karmel, P. R.; Gruner, R. W., Feedarray and beam forming network design for a reconfigurable satellite antenna. Antennas and Propagation International Symposium. 1980. P. 78 - 81.
  12. Zaghloul, A.I., Sorbello, R. M., 20-GHz Phased Array Fed Reflector Antennas with Distributed MMIC Modules // Antennas and Propagation International Symposium. 1984. P. 441 - 444.
  13. Legay, H.; Croq, F.; Rostan, T., Analysis, design and measurements on an active focal arrayfedreflector Phased Array Systems and Technology, 2000. Proceedings // IEEE International Conference on. 2000. P. 399 - 402.
  14. Gonzalez, J. A. R.,Pino, A. G., Lope, J. O. R,and Penal, F. A., Optimal Discrete-Amplitude Excitations for Arrays Feeding a Parabolic Antenna Receiving from Off-Axis Satellites // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2003. V. 45. № 3. P. 186-190.
  15. Kees van - t Klooster. Focal Plane Arrays. Examples for Space Applications and Discussion Topics. Focal Plane Array Workshop, Dwingeloo, May 2004.
  16. Савосин Г. В., Серяпин А. В., Шило В. К.,Виленко И. Л., Тоболев А. К., Шишлов А. В.,Егоров М. А., Королев А. В., Неронский Л. Б., ШипиловГ. В.Крупногабаритные гибридные зеркальные антенны с облучателями в виде активных фазированных антенных решеток // В сб. «Решетневскиечтения». Красноярск. 2007. С. 166 - 167.
  17. Shishlov, A. V., Multibeam reflector antennas with active feed arrays. - 3-d International Workshop for Next Generation Satellite Communications & Applications (NGSCA-2009). November 2009. Busan, Korea. P. 89 - 104.
  18. Mangenot, C., Antenna: Needs and Technologies. ESA Technical and Quality Management Directorate, www.esa.int
  19. Albert, I., Gizard, F., Lopez, J. M. E., Active and Highly Integrated Antennas Studies Supported by CNES. Proceedings of the 3rd European Conference on Antennas and Propagation. EuCAP 2009. P. 849 - 852.
  20. Dallaire, J.; Senechal, G., Richard, S.,The Alphasat-XL antenna feed array // Proceedings of the 3rd European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2009. P. 585 - 588.
  21. Fujino, Y.; Hamamoto, N.; Miura, A.; Suzuki, R.; Yamamoto, S.; Inasawa, Y.; Naito, I.; Konishi, Y.; Natori, N. Tradeoff study on array-fedreflector antennas for 100-beam-class multibeam communications satellite Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI). 2010. P. 1 - 4.
  22. Bhattacharyya, A. K.; Goyette, G., A novel horn radiator with high aperture efficiency and low cross-polarization and applications in arrays and multibeam reflector antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2004. V. 52. № 11. P. 2850 - 2859.
  23. Neto, A.,Ettorre, M.,Gerini, G., De Maagt, P.J.,EBG Enhanced Reflector Feeds for Wide Angle Scanning Applications // Antennas and Propagation Society International Symposium. 2008. AP-S 2008. P. 1 - 4.
  24. Arts, M.; Ivashina, M.; Iupikov, O.,Bakker, L.; van den Brink, R.,Design of a low-loss low-noise tapered slot phased arrayfeed for reflector antennas. - Proceedings of the 4-th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2010. P. 1 - 5.
  25. Ray E. Sheriff and Y.Fun Hu., Mobile Satellite Communication Networks - // John Wiley & Sons Ltd. 2001. P. 43-82.
  26. http://www.inmarsat.com
  27. http://www.ico.com
  28. Brian Mitani, MSV-s Next Generation Satellite System // ITU-T Workshop "Satellites in NGN"? Montreal. 13 July 2007. P. 1 - 17.
  29. Ueno, K., Feed System of the Engineering Test Satellite ETS-VIII // Journal of the National Institute of Information and Communication Technology. 2004. V. 50. № 3/4.P. 57-66.
  30. http://www.terrestar.com
  31. Ivashina M. V. Iupikov O., Maaskant R., van Cappellen W. A., Oosterloo T. An Optimal Beamforming Strategy for Wide-Field Surveys With Phased-Array-Fed Reflector Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. V. 59. № 6. Part: 1. P. 1864 - 1875.
  32. Jung, Y.-B., Eom, S.-Y., Jeon, S.-I.,Shishlov, A. V., Kim, C.-J.,Novel Hybrid Antenna Design having A Shaped Reflector for Mobile Satellite Communication Applications // Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI). 2010. P. 1-4.
  33. Silver, S., Microwave Antenna Theory and Design. New York, Mc Crow-Hill Book Co. 1949.
  34. Ганин С. А., Денисенко В. В., Левитан Б. А.,Шубов А. Г., Шишлов А. В., Щербенков В. Я. Разработка антенн с печатными элементами в ОАО «Радиофизика». // Радиотехника. 2010. № 10. С. 90-100.
  35. Скобелев С. П. Фазированные антенные решетки с секторными парциальными диаграммами направленности. М.: Физматлит. 2010.
  36. Егоров Е. Н., Сбитнев Г. В., Чистюхин В. В. Очерки развития техники твердотельных активных фазированных решеток (Зеленоградская школа СВЧ-микроэлектроники) // Радиолокация и связь. 2010. № 9. С. 3-10.
  37. Шишлов А. В. Зеркальные антенны с контурными диаграммами направленности: эффективность и предельные возможности // Радиотехника. 2006. № 4. С. 45 - 50.
  38. Шубов А. Г., Шишлов А. В. Эффективность антенных устройств с контурными диаграммами направленности // Электромагнитные волны и электронные системы. 1997. Т. 2. № 1. С. 54-57.
  39. Вендик О. Г. Антенны с немеханическим движением луча (Введение в теорию). М.: Сов. радио. 1965.
  40. Kitsuregawa Takashi. Advanced Technology in Satellite Communication Antennas. Electrical and Mechanical Design. Artech House Boston. London. 1989.
  41. Захарьев Л. Н., Леманский А. А., Турчин В. И.,Цейтлин Н. М., Щеглов К. С. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. М.: Радио и связь. 1985.
  42. Егоров Е. Н. Основы микроэлектроники СВЧ: Учебное пособие по курсам «Антенно-фидерные устройства» и «Радиотехнические устройства и системы». Ч. II. М.: МИЭТ. 1983.
  43. А. с. СССР № 1628017. Способ измерения коэффициента усиления зеркальной антенны // Азюкин А.В., Глезерман Е. Г.Серяков Ю. Н. Стеблин В. И.,Шишлов А. В. 1988.