3-D Beam-Steering 2×2 Array Antenna With Tunable Frequency Based on the Phase Difference Between Patches

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we propose a 2×2 array antenna capable of 3-D beam-steering and operating frequency adjustment. Each element consists of a patch antenna and a narrow-width I-shaped stub, with two varactor diodes placed between them. By varying the equivalent capacitance values of the varactors applied to each patch, a phase difference between the patches is achieved. As a result, the proposed antenna has continuous beam-steering within the range of −15° to +15° in elevation plane and full 360° in azimuth plane. Additionally, the resonant frequencies of the antenna could be adjusted depending on the equivalent capacitance values between the patch antenna and stub. From the measurement results, the proposed antenna shows continuous 3-D beam-steering of 30° in the 6.87% (2.95 GHz to 3.16 GHz) usable bandwidth.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 3차원 빔 조향 및 동작 주파수 조절이 가능한 2×2 배열 안테나를 제안한다. 각 소자는 패치 안테나와 폭이 좁은 I자형 스터브로 구성되며, 그 사이에 두 개의 버랙터 다이오드가 배치된다. 각 패치에 적용되는 버랙터의 등가 정전용량 값을 변화시킴으로써 패치 간의 위상차를 얻을 수 있다. 결과적으로, 제안된 안테나는 고각 평면에서 -/+15°, 방위각 평면에서 360°의 범위에서 연속적인 빔 조향을 갖는다. 또한, 패치 안테나와 스터브 사이의 등가 정전용량 값에 따라 안테나의 공진 주파수를 조절할 수 있다. 측정 결과, 제안된 안테나는 6.87%(2.95 GHz ~ 3.16 GHz)의 가용 대역폭에서 30°의 연속적인 3차원 빔 조향을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. 2×1 Array Antenna 5
• 1. Antenna Configuration 5
• 2. Antenna Analysis and Optimization 7
• 3. Simulated and Measured Results 13
• (1) Reflect Coefficient 13
• (2) Radiation Pattern 16
• Ⅲ. 2×2 Array Antenna 18
• 1. Antenna Configuration 18
• 2. Operating Principle of Antenna 20
• (1) No Beam-Steering 20
• (2) Beam Steered to ϕ = 0° (E-Plane) or ϕ = 90° (H-Plane) 20
• (3) Beam Steered to ϕ = 45°, 135° 21
• 3. Simulated and Measured Results 23
• (1) Reflect Coefficient 23
• (2) Radiation Pattern 25
• Ⅳ. Conclusion 31
• References 33
• Appendix 35
• Abstract in Korean(국문요지) 36