Four Elements Helical Antennas Array

8/2/2019 Four Elements Helical Antennas Array

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V e r i f i c a t i o n o f F o u r E l e m e n t s H e l i c a l A n t e n n a s A r r a yD e s i g n P r o c e d u r eI rJ a n ZEMANOVIC, P e t e r HAJACH, P e t e r PODHORANSKY

D e p t . o f R a d i o a n d E l e c t r o n i c s F E I S U T , I l k o v i c o v a 3 , 8 1 2 1 9 B r a t i s l a v a , S l o v a k R e p u b l i cj a n . z e m a n o v i c @ s t u b a . s k , p e t e r . h a j a c h @ s t u b a . s k , p e t e r . p o d h o r a n s k y s t u b a . s k

A b s t r a c t . T h i s p a p e r i s f o c us e d o n d e s i g n , s i m u l a t i o n ,r e a l i z a t i o n a n d p a r a m e t e r s m e a s u r e m e n t o f t h e f o u re l e m e n t h e l i c a l a n t e n n a s a r r a y . F i r s t p a r t o f t h e a r t i c l e i s 2 H e l i c a l antennad e d i c a t e d t o t h e d e s i g n o f h e l i c a l a n t e n n a a n d t h e i re l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c c a l c u l a t i o n . T h e s e c o n d p a r t i s T y p i c a l a r r a n g e m e n t o f h e l i c a l a n t e n n a w i t h c i r c u l a rd e d i c a t e d t o t h e f o u r e l e m e n t s h e l i c a l a n t e n n a s a r r a y r e f l e c t o r a n d i t s m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s i s g i v e n i n F i g . 1 .d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n . S i n g l e h e l i c a l e l e m e n t a n d a r r a yc h a r a c t e r i s t i c s w e r e c a l c u l a t e d a n d t h e n s i m u l a t e d u s i n g DCST M i c r o w a v e S t u d i o s o f t w a r e p a c k a g e . M e a s u r e d , .c a l c u l a t e d a n d s i m u l a t e d a n t e n n a c h a r a c t e r i s t i c s w e r ec o m p a r e d t o e a c h o t h e r , t o v e r i f y c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e Lo it h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d d a t a .

2 a C = J T DKeywords I

H e l i c a l a n t e n n a s a r r a y , C i r c u l a r p o l a r i z a t i o n , Beams y m m e t r y .

F i g . 1 . H e l i c a l a n t e n na w i t h r e f l e c t o r1 . I n t r o d u c t i o n H e l i c a l a n t e n n a w i t h d i a m e t e r D h a s t y p i c a l l y N t u r n s o fH e l i c a l a n t e n n a c a n o p e r a t e i n t w o d i f f e r e n t r a d i a t i o n w i r e ( w i t h a r a d i u s a ) w i t h a c o n s t a n t g a p S b e t w e e n t u r n s .m o d e s [ 1 ] . T h e f i r s t a n d m o s t u s e d i s a x i a l r a d i a t i o n m o d e . T h e n t h e o v e r a l l l e n g t h o f a n t e n n a i s L = N . S a n d t h e l e n g t h

I n t h i s m o d e i s r a d i a t i o n p a t t e r n p a r a l l e l t o t h e h e l i c a l a x i s o f w i r e i s L n = N . L O = N . ( S 2 + C 2 ) ' l 2 , w h e r e L o i s l e n g t h o fa n d maximum o f r a d i a t e d p o w e r i s i n t h e d i r e c t i o n o f a x i s . s i n g l e t u r n a n d C = z . D i s t h e c i r c u m f e r e n c e o f a s i n g l e t u r n .R a d i a t i o n o f h e l i c a l a n t e n n a i n t h i s m o d e i s e l l i p t i c a l l y L a s t o f t h e m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s i s p i t c h a n g l e o f h e l i x a .p o l a r i z e d . T h e r e f o r e t h e s e t y p e s o f a n t e n n a s a n d t h e y R e l a t i o n s h i p s b e t w e e n p a r t i c u l a r p a r a m e t e r s o f a h e l i c a l a r ed e r i v a t e s a r e e x t e n s i v e l y u s e d i n s a t e l l i t e t e c h n i q u e . e v i d e n t f r o m t h e s e c o n d p a r t o f F i g . 1 . R e f l e c t o r s i z e m u s tT h e s e c o n d m o d e i s n o r m a l m o d e o f r a d i a t i o n . T h i s b e a t l e a s t 3 / 4 o f o p e r a t i n g w a v e l e n g t h A .m o d e i s c h a r a c t e r i s t i c w i t h r a d i a t i o n p a t t e r n s i m i l a r t o D e s i g n o f h e l i c a l a n t e n n a i s n ' t a n e a s y t a s k , b e c a u s ed i p o l e a n t e n n a s . Maximum o f r a d i a t e d p o w e r i s t h e t h e o r e t i c a l l y d e r i v e d r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n e l e c t r i c a lp e r p e n d i c u l a r t o t h e h e l i c a l a x i s . T h e r a d i a t e d c h a r a c t e r i s t i c s a n d g e o m e t r i c a l d i m e n s i o n s a r e b a s e d o ne l e c t r o m a g n e t i c w a v e c a n b e p o l a r i z e d l i n e a r l y o r s i m p l i f i e d m o de l s. T h e r e f o r e we m u s t t a k e i n t o a c c o u n t ae l l i p t i c a l l y . P o l a r i z a t i o n o f a w a v e d e p e n d s o n l y o n l o t o f e x p e r i m e n t a l l y d e r i v e d d e s i g n g u i d e l i n e s [ 1 ] :g e o m e t r i c a l d i m e n s i o n o f t h e h e l i c a l w h i c h a r e i n t h i s c a s e - T a n o a n im u c h s m a l l r a sne r a t i n g wvelength.120 a n d 1 4 0 . I f t h e p i t c h a n g l e a x i s l e s s t h e n 1 2 0E x a m p l e o f t h e d e s i g n a n d p r o p e r t i e s v e r i f i c a t i o n o f a n t e n n a w i l l h a v e g r e a t e r d i r e c t i v i t y c o m p a r e d t ot h e a x i a l m o d e s i n g l e h e l i c a l a n t e n n a a n d f o u r e l e m e n t s l e n g t h L = N . S . When a > 1 4 0 f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o fh e l i c a l a r r a y a r e p r e s e n t e d i n t h e n e x t s e c t i o n s . F i n a l l y t h e i n p u t i m p e d a n c e i s m u c h s m a l l e r .r a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f t h e h e l i c a l a r r a y a r r a n g e d i n t h e

m a t r i x o f 2 x 2 w a s c a l c u l a t e d a n d s i m u l a t e d . S i m u l a t i o n o f - R e a l p a r t o f i n p u t i m p e d a n c e o f a b o v e m e n t i o n e da r r a y w a s b a s e d o n t h e r a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s i n g l e h e l i x i s b e t w e e n 1 0 0 t o 1 5 0 Q .h e l i c a l e l e m e n t .9 7 8 - 1 - 4 2 4 4 - 2 1 3 8 - 1 / 0 8 / $ 2 5 . 0 0 ) 2 0 0 8 I E E E


2/4

- F r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f i n p u t i m p e d a n c e i s s m a l l e r ,i f a n u m b e r o f t u r n s a r e g r e a t e r . 7 0 1 4- D i r e c t i v i t y o f h e l i c a l a n t e n n a i s g r e a t e r , i f a n u m b e r o f 2 at u r n srise.601

V a l u e o f i n p u t i m p e d a n c e o f h e l i c a l a n t e n n a i s a l m o s tr e a l v a l u e a n d i s g i v e n b y e q u a t i o n : 4 5 ] - : 9

R - 1 4 0 < - ( 1 ) 4 0 N = 3 5 , 51, 31,4, 5 1 1, 7 1 8 1, 9 2 2, 12,2,3w i t h a c c u r a c y o f a b o u t 2 0 O . f [ G H z ]F i g . 3 . Beam w i d t h a n d m a x i m a l d i r e c t i v i t y f r e q u e n c yH a l f p o w e r b e a m w i d t h (HPBW) c a n b e c a l c u l a t e d c h a r a c t e r i s t i c .f r o m t h e n e x t e q u a t i o n [ 3 ] . B a s e d o n t h e s e r e s u l t s t h e f o l l o w i n g m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s

HPBW [ d e g ]=5 2 2 3 / 2 ( 2 ) o f t h e h e l i c a l a n t e n n a w e r e c h o s e n ( T a b . 1 ) . C a l c u l a t i o nHCN was b a s e d on t h e s o f t w a r e e s p e c i a l l y d e v e l o p e d on t h eD e p t . o f R a d i o a n d E l e c t r o n i c s F E I SU T f o r h e l i c a lA p p r o x i m a t e d i r e c t i v i t y c a n b e e v a l u a t e d a n t e n n a s d e s i g n .DZI2NCS (3 ) | W a v e l e n g t b X [ n m J ] 166H elical d i a m e t er D [ m n ] 0,3X 58

a n d a x i a l r a t i o i s g i v e n b y H e l i c a l p i t c h S [ n u m ] 0 , 2 4 . 4 0AR = 2 N + 1 I Reflector d i a m e t q r [ T h m J 0 , , | 150

2N Wire dia me t er d [ n m J ] 0 , 0 2 3 ,3 2E q u a t i o n s ( 1 ) t o ( 4 ) a r e v a l i d o n l y u n d e r t h e f o l l o w i n g h e D i s t a n c e o f 1 . turn g 0 2 0 lc o n d i t i o n s : [ r1 2 0 < a < 1 4 0 , 3 / 4 < C b l < 4 / 3 a n d N > 3 T a b . 1 . M e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f h e l i c a l a n t e n n a .F o r t h e h e l i c a l a n t e n n a s y n t h e s i s we c h o o s e t h e s e F e e d i n g c i r c u i t r y o f t h e a n t e n n a w a s r e a l i z e d u s i n gi n p u t p a r a m e t e r s : c i r c u l a r p o l a r i z a t i o n r a d i a t i o n , c e n t e r q u a r t e r - w a v e l e n g t h i m p e d a n c e t r a n s f o r m e r . C o a x i a lf r e q u e n c y f o = 1 , 8 G H z , n u m b e r o f t u r n s N = 6 , c " " 1 3 , 5 . q u a r t e r - w a v e l e n g t h i m p e d a n c e t r a n s f o r m e r i s u s e d t oC a l c u l a t e d m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f h e l i c a l m u s t f u l f i l l t h e t r a n s f o r m 1 4 0 Q i n p u t i m p e d a n c e o f t h e h e l i c a l t o 5 0 Qe q u a t i o n [ 1 ] i m p e d a n c e o f a c o a x i a l c a b l e . C o n n e c t i o n o f t h e h e l i c a la r r a y t o t h e c o a x i a l t r a n s m i s s i o n l i n e w a s p e r f o r m e d b y t h eL = k l A R + +S ( 5 ) u s e o f t h e 5 0 Q N c o n n e c t o r . S i m u l a t e d v a l u e s o f VSWR2 N s I w e r e c o m p a r e d t o m e a s u r e d v a l u e s o b t a i n e d f r o m t h em e a s u r e m e n t o n t h e SPARE s i x p o r t r e f l e c t o m e t e rw h e r e k 1 i s c o n s t a n t e q u a l t o 0 , 8 i n m o s t c a s e s . o r i g i n a l l y d e s i g n e d o n t h e D e p t . o f R a d i o a n d E l e c t r o n i c sU s i n g t h e i n p u t d a t a t h e f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f F E I S U T . M e a s u r e d a n d c a l c u l a t e d v a l u e s o f t h e WSWRm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s a n d m a x i m a l a b s o l u t e d i r e c t i v i t y o f a r e s h o w n i n F i g . 5 .a n t e n n a w a s c a l c u l a t e d ( F i g . 2 a n d F i g . 3 ) .

10,0C0___ ___1 3 , 6 '~ ~ ~ WS

2 X 8 0 ' 0X0-L 8,00 ____ _____ _ _ _ _ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 7 ,

20 76,00_ _ _ _ _ __ _

D

1 3 1 ,4 1 , ,B 1 , 7 li B 1 , B 2 2 ,1 2 , 2 2 , B 1 , 0 0 1 , 1 0 1 , 2 0 1 , 3 0 1 , 40 1 , 5 0 1 , 6 0 1 , 70 1 , 8 0 1 , 90 2,00f [ G H z ] f [ G H z JF i g . 2 . G e o m e t r i c a l d i m e n s i o n s o f h e l i c a l a n t e n n a f r e q u e n c y

c h a r a c t e r i s t i c . F i g . 5 . C o m p a r i s o n o f m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d r e s u l t s o f VSWRf r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c .


3/4

D i r e c t i v i t y o f s i n g l e e l e m e n t a n t e n n a w a s m e a s u r e d , D i s t a n c e b e t w e e n t h e h e l i c a l e l e m e n t s w a sc a l c u l a t e d [ 1 ] , [ 2 ] , [ 3 ] a n d s i m u l a t e d u s i n g CST M i c r o w a v e e x p e r i m e n t a l l y c h o s e n t o b e 1 , 5 X i n b o t h h o r i z o n t a l a n dS t u d i o s o f t w a r e p a c k a g e . T h e f o l l o w i n g r e s u l t s w e r e v e r t i c a l d i r e c t i o n s , b e c a u s e t h e r e w a s a c h i e v e d v e r y g o o do b t a i n e d ( T a b . 2 ) . s y m m e t r y o f t h e m a i n l o b e i n b o t h E a n d H p o l a r i z a t i o np l a n e s .D i r e c t i v i : y [ L I [ 2 J Mea sured| v |I5 ] A l l e l e m e n t o f t h e a r r a y a r e f e e d b y i n - p h a s e c u r r e n t s .|d B ] J 7 1 2 , 3 4 1 0 , 5 1 3 7 , 3 4 t 3 , 5 4 2 , s E 4 e e d i n g c i r c u i t r y c o n s i s t s o f q u a r t e r - w a v e l e n g t h i m p e d a n c et r a n s f o r m e r a n d 2 0 0 Q w i r e o v e r g r o u n d p l a n e t r a n s m i s s i o nT a b . 2 . M e a s u r e d a n d c a l c u l a t e d d i r e c t i v i t y o f t h e h e l i c a l l i n e ( F i g . 7 . ) .a n t e n n a .

T h e c h a r a c t e r i s t i c o f p o l a r i z a t i o n w a s m e a s u r e d u s i n g s i d e v i e w b a c k v i e wc o r n e r r e f l e c t o r d i p o l e a n t e n n a . T h e r e s u l t s o fm e a s u r e m e n t s f o r v a r i o u s f r e q u e n c i e s a r e s h o w n i n F i g . 4 . f e d I n gA s w e c a n s e e f r o m t h e d e s i g n e d a n t e n n a i s c i r c u l a r l y l i n e sp o l a r i z e d i n w o r k i n g f T e q u e n c y r a n g e . T d l E S T Ao c - G - ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ O ~ X 1i b l e

1 3 3 0 C >- 2 1 1 1 1 l -O v e r a l l v i e w o n t h e r e a l i z e d h e l i c a l a r r a y i s p r e s e n t e di n F i g . 6 . 1 . 5

400 600 800 1000 [ M H 0 1400 1600 1800 2000

F i g . 8 . F o u r e l e m e n t h e l i c a l a n t e n n a s a r r a y WSWR f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c .A r r a y f a c t o r o f t h e N e l e m e n t u n i f o r m l y s p a c e d


4/4

w h e r e N i s n u m b e r o f a r r a y e l e m e n t s , k i s w a v e n u m b e r a n d F r e q u e n c y [ 1 J C S T M e a s u r e d 1d i s d i s t a n c e b e t w e e n a r r a y e l e m e n t s . [ G H z ] M W S M e a s ur e dMaximum i n t e n s i t y o f r a d i a t i o n i s i n 0 = O d i r e c t i o n 1 , 6 1 7 , 3 7 3 1 7 , | 2 1 8 4 3 1 1 , 8 5a n d U m a x e q u a l s t o 1 . 1 , 8 1 8 , 4 1 1 8 , 1 3 1 8 , 6 5 1 1 , 6 7

i f 2 ,0 1 1 9 , 3 : 18,19 19,53 21 ,14Uo _ ( 7 )0 2Nkd T a b . 3 . M e a s u r e d , c a l c u l a t e d a n d s i m u l a t e d d i r e c t i v i t y o f f o u re l e m e n t s h e l i c a l a n t e n n a s a r r a y i n d B .T h e n t h e d i r e c t i v i t y o f a r r a y i n a x i a l r a d i a t i o n mode i s e n li tnayng i v e n b y e q u a t i o n : Frequency [ l l CST Measured[ G H z ] MWS M e a s u r e dD o U m a x 2 N k d =4N d =4j+-j(dj ( 8 ) 1 , 6 2 4 , 3 2 0 , 1 0 2 2U O y z t) t d A t ) , 1,8 2 1 , 6 ( i 17,7 20When t h e H a n s e n - W o o d y a r d ' s a p p r o x i m a t i o n i s u s e d 2 , 0 1 9 , 5 j 1 5 , 0 1 7d i r e c t i v i t y i s : _ _ _ T a b . 4 . M e a s u r e d , c a l c u l a t e d a n d s i m u l a t e d HPBW o f f o u rU m a x 1 L2Nkd 1 d e l e m e n t s h e l i c a l a n t e n n a s a r r a y i n d e g .O=a 0 , 5o n ( 9 )= 1 , 8 0 5 4 1 ++ J d ] 4 . C o n c l u s i o n sL dd)j T h e g o a l o f t h i s a r t i c l e w a s t h e v e r i f i c a t i o n o f t h eA s we c a n s e e H a n s e n - W o o d y a r d ' s d i r e c t i v i t y i s a l m o s t d e s i g n p r o c e s s o f t h e h e l i c a l a r r a y b y t h e CST S t u d i ot w o t i m e s g r e a t e r t h e n a x i a l d i r e c t i v i t y . S o f t w a r e p a c k a g e a n d b y t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d d a t a .M e a s u r e d , s i m u l a t e d a n d c a l c u l a t e d r a d i a t i o n I m p l e m e n t e d h e l i c a l f e e d i n g c i r c u i t o f t h e f o u r e l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s a t w o r k i n g f r e q u e n c y a r e p r e s e n t e d i n F i g . 9 h e l i c a l a r r a y c a n b e c o n s i d e r e d b e i n g a n o t h e r o u t p u t o f t h ew o r k . D e s p i t e o f r e l a t i v e l y s m a l l h e l i c a l a r r a y d i m e n s i o n swe o b t a i n e d v e r y g o o d r a d i a t i o n p a t t e r n r o t a t i o n s y m m e t r ya n d d i r e c t i v i t y o f 1 9 , 6 7 d B i .3e r61 . . . . . . . i _ i / ~ 3 0 1 ,V e a s u r e d l -CST MWS0 8 C a l c u l a t e d

A c k n o w l e d g e m e n t sT h i s w o r k was s u p p o r t e d b y t h e g r a n d A V - 4 / 0 0 1 2 / 0 7 .v / / F i n a l l y we w o u l d l i k e t h a n k s t o S-TEAM c o m p a n y f o r t h e i r0' ~ ~ ~ ~ ~ p e r m i s s i o n f o r t h e u s e o f t h e CST M I C R O W A V E STUDIOX ' s v \ < " ; ' . , . . ' ' . 2e..'@,/'''-t.;"'.X).... < . . . . ) t . ' i X .' Y .' ' , . ) . f , . ' " , . . ' ' ' o J ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ .

L i ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ s o f t w a r e p a c k a g e .. . / . . R e f e r e n c e s

[ 1 ] K R A U S , J . D . , A n t e n n a s . N e w Y o r k : M c G r a w - H i l l I n t e r n a t i o n a lE d . , 1 9 8 8 .[ 2 ] L E E , J . K . , ADAMS, A . T . , W i l e y E n c y c l o p e d i a o f E l e c t r i c a l a n d

X,; . - - S v . v > / S z E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g . [ o n l i n e ] , J o h n W i l e y & S o n s , I n c . ,[ c i t : 2 0 0 8 - 0 1 - 1 5 ] . O n l i n e on I n t e r n e t .

18 0 [ 3 ] B A L A N I S , C . A . , A n t e n n a T h e o r y - A n a l y s i s a n d D e s i g n S e c o n dE d i t i o n . N e w Y o r k : J o h n W i l e y & S o n s , I n c . , 1 9 9 7 .F i g . 9 . C o m p a r i s o n o f m e a su r e d , c a l c u l a t e d a n d s i m u l a t e di.C h m a r a i s t i c o f f o a s u r e l e e n e l i c u l a a n t e n n a r a t e d [ 4 ] L E E , K . F . , P r i n c i p l e s o f a n t e n n a t h e o r y . N e w Y o r k : J . W i l e y &c h a r a c t e r i s t i c o f f o u r e l e m e n t h e l i c a l a n t e n n a a r r a y a t Sos In . 941 , 8 G H z . S o n s , I n c . , 1 9 8 4 .[ 5 ] V A V R A , S . , H A J A C H , P . , A n t e n n a s a n d p r o p a g a t i o n . B r a t i s l a v a :T h e c o m a r 1 s o n f measued a n d a l c u l a t d HPBWVyd. S T U , 2 0 0 1 .a n d d i r e c t i v i t i e s o f f o u r e l e m e n t h e l i c a l a n t e n n a s a r r a y i sshown i n T a b . 3 a n d 4 . D i r e c t i v i t y o f t h e a r r a y a n d s i n g l e [ 6 ] T h Y U R A B S Z , l . , H e l i 0 c a l A n t e n n a s A r r a y f o r 1 8 0 0 MH z B a n d . M a s t e rh e l i x a n t e n n a w a s c a l c u l a t e d u s i n g a p p r o x i m a t e m e t h o d T h s s ' r t s a a 05t a k i n g i n t o a c c o u n t o n l y t h e m a i n l o b e o f a n a n t e n n a [ 5 ] .T h e r e f o r e t h e r e i s s o m e i n a c c u r a c y i n t h e d i r e c t i v i t y

d e t e r m i n a t i o n .

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