Design of vivaldi antenna operating in two frequency bands with distinct polarizations

Abstract

This thesis presents a novel dual-polarized antenna design based on two orthogonally place Vivaldi antenna elements and are driven by a specially designed feeding network that splits incoming signal into two wherein one of them is linearly polarized between 4 and 6 GHz and the other one is circularly polarized from 14.5 to 15.5 GHz. Splitting of input signal into the two frequency bands, a diplexer is designed. A wilkinson power divider and a transmission-line phase shifter are employed to realize $90^{o}$ phase difference to achieve circular polarization at the upper frequency band. The feed network is integrated with the Vivaldi elements to ensure a compact form factor critical for reflector applications. In order to avoid crossing of two microstrip-to-slotline transition of the two Vivaldi elements, a small shift between them is introduced. This antenna is intended to be used as a feed antenna for reflector systems employed in radio link systems of drones. Combination of these distinct frequency bands with different polarization requirements allows use of single ground control antenna instead of two independent antennas thereby reducing cost and space requirements. For demonstration purpose, a prototype is fabricated. The antenna achieves better than -15 dB input reflection coefficients over most of the operating bands and axial ratio is less than 2 dB for the upper frequency range. The antenna exhibits gain between 7.2 to 9.5 dBi from 4 to 16 GHz. Meanwhile, stable radiation patterns are achieved with the cross polarization lower than -25 dB across the operating bands at boresight direction.

Bu tez çalışmasında, içiçe geçirilmiş iki Vivaldi antenin tasarımı ve anten tarafından gelen/gönderilen sinyali bölüp iki farklı polarizasyon türü ( 4 ile 6 GHz arasinda çizgisel polarizasyon ve 14,5 ile 15,5 GHz aralığında dairesel polarizasyon) elde etmek için özelle tasarlanmış beslenme ağı tasarimi sunulmuştur. Giriş sinyalinin iki frekans bandına bölmek için dipleks kullanıldı. Üst frekans bandında dairesel polarizasyon elde etmek için Wilkinson güç bölücü ve faz dönüştürücü ($90^{o}$ açı farkını yakalamak için) tasarlandı. Beslenme ağı reflektör uygulamaları için kritik olan kompakt bir form sağlamak amacıyla Vivaldi antenleriyle entegre edilmiştir. Bu anten drone'ların radyo link sistemlerinde kullanılan reflektör sistemleri için besleme anteni olarak kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Bu anten farklı frekans bantlarının farklı polarizasyon gereksinimlerinin birleştirilmesi, iki bağımsız anten yerine tek yer kontrol anteninin kullanılmasına izin vermektedir. Bu şekilde maliyet ve alan gereksinimlerini azaltılmış olacaktır. Bu antenin bir prototip üretilmiştir. Antenin yansıma katsayıları, çalışma bantlarının çoğunda -15 dB'den daha iyi bir sonuç sunmaktadır. Üst frekans aralığı için de eksenel oran 2 dB'den azdır. Anten 4-6 GHz ve 14-16 GHz bantları arasında 7,2 ile 9,5 dBi arasında kazanç sergilemektedir. Bu arada, dar görüş yönünde çalışma bantları boyunca -25 dB'den daha düşük çapraz polarizasyon ile istikrarlı radyasyon desenleri elde edilmektedir.