تحلیل و طراحی آنتن‌های ترانسمیت‌آرای ۲۰۲۲
Analysis and Design of Transmitarray Antennas 2022

در سال‌های اخیر، آنتن‌های انتقال‌آرایه‌ای توجه رو به رشدی را از سوی بسیاری از محققان آنتن به خود جلب کرده‌اند. انتقال‌آرایه‌ها ترکیبی از نظریه‌های اپتیک و آرایه‌های آنتنی هستند که منجر به طراحی کم‌ارتفاع با بهره بالا، بازده تابشی بالا و عملکرد تابشی چندمنظوره برای بسیاری از سیستم‌های ارتباط بی‌سیم می‌شوند. در این کتاب، تحلیل جامع، روش‌شناسی‌های جدید و طرح‌های نوین آنتن‌های انتقال‌آرایه‌ای ارائه شده است.

* تحلیل مفصل برای طراحی آنتن‌های آرایه‌ای صفحه‌ای با تغذیه فضایی ارائه شده است. اصول اولیه توزیع میدان روزنه و تحلیل عناصر آرایه شرح داده شده است. عملکردهای تابشی (پرتوندگی و بهره) با استفاده از رویکرد نظریه آرایه مورد بحث قرار گرفته‌اند و اثرات خطاهای فاز عنصر نشان داده شده است.
* عملکرد طراحی انتقال‌آرایه با استفاده از رویکرد سطوح انتخابی فرکانس چندلایه (M-FSS) به دقت مورد مطالعه قرار گرفته است، و حد فاز انتقال که عموماً مستقل از انتخاب شکل عنصر خاص است، آشکار شده است. حداکثر محدوده فاز انتقال بر اساس تعداد لایه‌ها، گذردهی زیرلایه و جدایی بین لایه‌ها تعیین می‌شود.
* به منظور کاهش پیچیدگی و هزینه طراحی انتقال‌آرایه، سه روش مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. در نتیجه، یک طراحی با استفاده از عناصر شکاف متقاطع چهارلایه بدون ماده دی‌الکتریک و دیگری با استفاده از عناصر دوقطبی مارپیچ سه‌لایه انجام شده است. هر دو طرح در باند X برای ارتباطات فضایی عمیق ساخته و آزمایش شده‌اند. علاوه بر این، ویژگی‌های الگوی تابش تحت شرایط مختلف قطبش تغذیه و زوایای مایل میدان تابش از تغذیه مورد مطالعه قرار گرفته است.
* روش‌شناسی‌های طراحی جدیدی برای بهبود پهنای باند آنتن‌های انتقال‌آرایه‌ای از طریق کنترل محدوده فاز انتقال عناصر پیشنهاد شده است. این تکنیک‌های طراحی از طریق ساخت و آزمایش دو آنتن انتقال‌آرایه‌ای چهارلایه در باند Ku اعتبارسنجی شده‌اند.
* یک آنتن انتقال‌آرایه‌ای چهار پرتو با تغذیه منفرد با جداسازی ارتفاعی ۵۰ درجه بین پرتوها در باند Ku مورد بررسی، طراحی، ساخت و آزمایش قرار گرفته است.

به طور خلاصه، چالش‌های مختلف در تحلیل و طراحی آنتن‌های انتقال‌آرایه‌ای در این کتاب مورد بررسی قرار گرفته است. روش‌شناسی‌های جدیدی برای بهبود پهنای باند آنتن‌های انتقال‌آرایه‌ای نشان داده شده است. چندین نمونه اولیه ساخته و آزمایش شده‌اند که ویژگی‌های مطلوب و کاربردهای جدید بالقوه آنتن‌های انتقال‌آرایه‌ای را نشان می‌دهند.

In recent years, transmitarray antennas have attracted growing interest with many antenna researchers. Transmitarrays combines both optical and antenna array theory, leading to a low profile design with high gain, high radiation efficiency, and versatile radiation performance for many wireless communication systems. In this book, comprehensive analysis, new methodologies, and novel designs of transmitarray antennas are presented.

• Detailed analysis for the design of planar space-fed array antennas is presented. The basics of aperture field distribution and the analysis of the array elements are described. The radiation performances (directivity and gain) are discussed using array theory approach, and the impacts of element phase errors are demonstrated.
• The performance of transmitarray design using multilayer frequency selective surfaces (M-FSS) approach is carefully studied, and the transmission phase limit which are generally independent from the selection ofa specific element shape is revealed. The maximum transmission phase range is determined based on the number of layers, substrate permittivity, and the separations between layers.
• In order to reduce the transmitarray design complexity and cost, three different methods have been investigated. As a result, one design is performed using quad-layer cross-slot elements with no dielectric material and another using triple-layer spiral dipole elements. Both designs were fabricated and tested at X-Band for deep space communications. Furthermore, the radiation pattern characteristics were studied under different feed polarization conditions and oblique angles of incident field from the feed.
• New design methodologies are proposed to improve the bandwidth of transmitarray antennas through the control of the transmission phase range of the elements. These design techniques are validated through the fabrication and testing of two quad-layer transmitarray antennas at Ku-band.
• A single-feed quad-beam transmitarray antenna with 50 degrees elevation separation between the beams is investigated, designed, fabricated, and tested at Ku-band.

In summary, various challenges in the analysis and design of transmitarray antennas are addressed in this book. New methodologies to improve the bandwidth of transmitarray antennas have been demonstrated. Several prototypes have been fabricated and tested, demonstrating the desirable features and potential new applications of transmitarray antennas.