Implementation of a phased array antenna using digital beamforming

Abstract

This work presents the design of a transmitter/receiver Digital Beamformer (DBF) based on the mathematical model of a far-field plane wave incident on a sensor array. Simulations of a DBF transmitter and receiver are performed to control the power pattern of a 4-element linear array, a 16-element linear array and a 16-element rectangular array. For each sensor array, two spatial filters were constructed with different pattern requirements to demonstrate the operation of the DBF. An implementation of a DBF transmitter was performed using a digital processing board containing a Virtex-II XC2V6000 FPGA to control the radiation pattern of a Phased Array Antenna transmitter. A 16-element patch antenna array and the RF front end were fabricated and its radiation pattern was measured in an anechoic chamber to test the performance of the DBF transmitter giving an error of less than 5 degrees in each angular direction of the main beam’s angle-of-transmission.

Este trabajo presenta el diseño de un “digital beamformer" (DBF) transmisor y receptor basados en el modelo matemático de una onda plana que incide en un arreglo de sensores. Simulaciones del DBF transmisor y receptor fueron realizadas para controlar el patrón de radiación de tres arreglos con geometrías diferentes. Para cada arreglo de sensores, dos filtros espaciales fueron construidos con requisitos específicos con el propósito de demostrar el funcionamiento del DBF y comparar sus resultados con los resultados obtenidos al calcular el patrón teóricamente. Una implementación del DBF tipo transmisor fue realizada utilizando una tarjeta de procesamiento de datos con un Virtex-II XC2V6000 FPGA para controlar el patrón de radiación de un arreglo de antenas transmisor. Para implementar los componentes RF del arreglo de antenas se diseñaron y construyeron un arreglo de parches con 16 elementos, una etapa de distribución para la señal del oscilador local, y una etapa de mezclado y amplificación de potencia. Finalmente, el patrón de radiación del arreglo de antenas fue medido utilizando una cámara anecoica con el fin de mostrar el funcionamiento del DBF transmisor donde se obtuvo patrones con menos de 5 grados de error en el ángulo de transmisión de su lóbulo principal.