کاهش سطح گلبرگ‏های فرعی و جعلی در یک سیستم آرایه ‏فازی خطی با فاصله زیاد بین آنتن‏ها با استفاده از روش نوین وزن‏دهی ضرایب

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی برق دانشگاه پدافند هوایی خاتم الانبیاء (ص)

2 استادیار، دانشکده مهندسی برق دانشگاه پدافند هوایی خاتم الانبیاء (ص)

3 دانشجو دوره دکتری، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

متاسفانه معمولاً در پترن نهایی سیستم‏های آرایه فازی علاوه بر گلبرگ اصلی، گلبرگ‏های فرعی نیز مشاهده می شود که همین موضوع باعث تلف توان ارسالی فرستنده و یا اشباع گیرنده در صورت حضور بلاکرهای قوی می‏شود. در این مقاله ابتدا یک روش وزن دهی برای کاهش سطح گلبرگ های فرعی مورد استفاده قرار گرفته است. ولی در حالت کلی استفاده از روش های وزن دهی متداول باعث افزایش پهنای بیم و در نتیجه کاهش رزولوشن می‏شود که در کاربردهای رهگیری این موضوع مطلوب کاربر نیست. در قدم بعدی به امید افزایش رزولوشن فاصله بین آنتن‏های سیستم آرایه فازی افزایش پیدا کرد. پس از افزایش فاصله بین المان‏ها رزولوشن پترن افزایش پیدا کرد ولی متاسفانه در پترن نهایی گلبرگ‏های جعلی ظاهر گردید. در واقع ایده اصلی این مقاله برطرف کردن این تقابل در یک سیستم آرایه فازی می باشد. لذا در این مقاله دو روش رندوم سازی در سطح موقعیت قرار گیری آنتن‏ها و ضرایب اعمال شده به سیگنال‏های هر مسیر در یک سیستم آرایه فازی با فاصله d=λ بین المان ها مورد آزمایش قرار گرفت. برای یک سیستم آرایه فازی یازده المانه نشان داده شد که با زاویه اسکن 180 درجه حداقل رزولوشن 10 درجه بین نقطه اشاره و صفر در پترن نهایی قابل دست یابی می باشد. همچنین سطح گلبرگ‏های جعلی به اندازه 11.6dB نسبت به گلبرگ اصلی کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A Novel Algorithm in a Linear Phased Array System for Side Lobe and Grating Lobe Level Reduction with Large Element Spacing

نویسندگان [English]

  • jafar khalilpour 1
  • javad ranjbar 2
  • poorya karami 3
1 Associated Professor, Department of Electrical Engineering, Khatam Al Anbiya University
2 Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, Khatam Al Anbiya University
3 Ph.D. Student, Department of Electrical Engineering, Sharif University of Technology
چکیده [English]

In the phased arrays the side lobes level (SLL) level is main problem which causes waste of energy or saturation of the receiver in the case of presence of the strong spatial blockers. In this paper, a weighting method was first used to reduce the level of SLL. However, this method increased the beam width and reduced resolution, which is not suitable for track applications. In next step hoping to increase the resolution, the distance between the antennas increased. But in this way, grating lobes appeared in the final beam. In fact, the main idea of the article is to solve this problem. It is shown that for a linear 11-element phased array system with up to 180° scan angle for simultaneously beam-forming and null-steering a resolution of 10 degrees was obtained for the amount of difference between desired beam and null points. The proposed system reduces the grating lobes to below -11.6 dB.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Phased Array System
  • Side Lobe Level (SLL)
  • Grating Lobe Level
  • Randomization
  • Element spacing
[1]      Z. Iqbal and M. Pour, "Grating Lobe Reduction in Scanning Phased Array Antennas With Large Element Spacing," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 12, pp. 6965-6974, Dec. 2018. doi: 0.1109/TAP.2018.2874717.
[2]      Hirzallah, Mohammed, and Tamal Bose. "Steepest descent opportunistic MIMO radar: spectrum sharing design." Analog Integrated Circuits and Signal Processing 91.2 (2017): 227-237.
[3]      Das, Avishek, et al. "A Heuristic Approach to Design Linear and Circular Antenna Array for Side Lobe Reduction." Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Electrical Engineering 43.1 (2019): 67-76.
[4]      R. J. Mailloux, Phased Array Antenna Handbook, 2nd ed. Norwood, MA, USA: Artech House, 2005.
[5]      Taiel, Mazhar B., Nour H. Ismail, and Ashraf T. Ibrahim. "Several Optimization Methods to Optimize the Spacing between the Elements of Ultrasound linear Phased Array to Produce a Radiation Pattern with Minimum Side Lobes Level (SSL), Null Placement Control and Treating Cancer Tumors in Biological Media." 4th European Conference of the International Federation for Medical and Biological Engineering. Springer, Berlin, Heidelberg, 2009.
[6]      A. Vosoogh and P.-S. Kildal, “Simple formula for aperture efficiency reduction due to grating lobes in planar phased arrays,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 64, no. 6, pp. 2263–2269, Jun. 2016.
[7]      R. F. Harrington, “Sidelobe reduction by nonuniform element spacing,” IRE Trans. Antennas Propag., vol. 9, no. 2, pp. 187–192, Mar. 1961.
[8]      V. Bavaro, G. Caliano, and M. Pappalardo, “Element shape design of 2-D CMUT arrays for reducing grating lobes,” IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control, vol. 55, no. 2, pp. 308–318, Feb. 2008.
[9]      H. Wang, D. G. Fang, and Y. L. Chow, “Grating lobe reduction in a phased array of limited scanning,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 6, pp. 1581–1586, Jun. 2008.
[10]   Zhai, Wenyao, et al. "mm-Wave large-scale phased array based on randomly tiled rectangular sub-arrays for 5G communications." 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS). IEEE, 2017.
[11]   Zhai, Wenyao, Vahid Miraftab, and Morris Repeta. "Randomly tiled rectangular sub-arrays for side lobe and grating lobe reduction in mmWave limited scanning phased array." 2016 Global Symposium on Millimeter Waves (GSMM) & ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications. IEEE, 2016.
[12]   Hansen, Robert C. Phased array antennas. Vol. 213. John Wiley & Sons, 2009.
[13]   Van Trees, Harry L. Optimum array processing: Part IV of detection, estimation, and modulation theory. John Wiley & Sons, 2004.
[14]   Mailloux, Robert J. Phased array antenna handbook. Artech house, 2017.
[15]   Sarker, Md Roman, et al. "Side lobe level reduction in antenna array using weighting function." 2014 International Conference on Electrical Engineering and Information & Communication Technology. IEEE, 2014.
[16]   C.A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, third ed., Wiley, New York, 2005.
[17]   K.H. Sayidmarie, and A.H. Aboud, ‘‘Improvement of array radiation pattern by element position perturbation,” Systems, Signals and Devices, 2008. IEEE SSD 2008. 5th International Multi-Conference on, pp. 1–6, 20–22 July 2008.
[18]   Y. Tian, J. Qian, Improve the performance of a linear array by changing the spaces among array elements in terms of genetic algorithm, Antennas Propag. IEEE Trans. 53 (7) (2005) 2226–2230.
[19]   Hussein, Amr H., Mohamed A. Metawe'e, and Haythem H. Abdullah. "Hardware implementation of antenna array system for maximum SLL reduction." Engineering science and technology, an international journal 20.3 (2017): 965-972.
[20]   Fakharzadeh Jahromi, FJ.M. (2008). Optical and Microwave Beamforming for Phased Array Antennas (Doctoral dissertation).
[21]   M. G. Bray, D. H. Werner, D. W. Boeringer, and D. W. Machuga, “Optimization of thinned aperiodic linear phased arrays using genetic algorithms to reduce grating lobes during scanning,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 50, no. 12, pp. 1732–1742, Dec. 2002.
[22]   D. Blanco, N. Llombart, and E. Rajo-Iglesias, “On the use of leaky wave phased arrays for the reduction of the grating lobe level,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 4, pp. 1789–1795, Apr. 2014.
[23]   A. Pal, A. Mehta, D. Mirshekar-Syahkal, and H. Nakano, “2×2 phased array consisting of square loop antennas for high gain wide angle scanning with low grating lobes,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 2, pp. 576–583, Feb. 2017.
[24]   C.-M. Liu, S.-Q. Xiao, H.-L. Tu, and Z. Ding, “Wide-angle scanning low profile phased array antenna based on a novel magnetic dipole,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 3, pp. 1151–1162, Mar. 2017.
[25]   Y.-Q. Wen, B.-Z. Wang, and X. Ding, “Wide-beam circularly polarized microstrip magnetic-electric dipole antenna for wide-angle scanning phased array,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett, vol. 16, pp. 428–431, Jun. 2016.
[26]   S. Trinh-Van, S. C. Song, S. Seo and K. C. Hwang, "Grating Lobe Reduced Waveguide Slot Array Antenna," 2018 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Busan, Korea (South), 2018, pp. 1-2.
[27]   X. Xu, C. Liao, Y. Shang and F. Peng, "Grating Lobe Suppression in Linear Nested Phased Array with Large Element Spacing," 2018 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Chengdu, 2018, pp. 1-3.