Phased Antenna Array for 26-40 GHz Band

Abstract

This thesis studies what kind of antenna elements could be used in phased arrays at Ka-band (26–40 GHz). The arrays studied should have efficiency above 90% at the whole Ka-band and when steered up to 60 degrees away from the boresight. Additionally, the element pattern should be free of any scan blindness.

Aperture coupled stacked microstrip patch element and two different flared-notch elements are studied by performing electromagnetic simulations. The simulations are first conducted in an infinite array environment with periodic boundary conditions. After these three elements are simulated and optimized, the element which has the best performance while still being manufacturable is chosen for simulations in finite 8 × 8 array.

The flared-notch element which was selected for further simulation fulfills almost all of the requirements except that for the efficiency. However, it exhibits 90% efficiency throughout most of the required frequency band and steering angles without any scan blindness. The active element pattern has the half power beamwidth of 120 degrees which allows for ±60 degrees steering range with scan loss of 3 dB at maximum. The simulation results in finite array configuration are well in line with the previous simulations in the infinite array.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia, millaisia antennielementtejä voitaisiin käyttää Ka-kaistan (26–40GHz) vaiheohjatuissa antenniryhmissä. Työn aikana oli myös tavoitteena suunnitella edellä mainitulle kaistalle antennielementti, jonka hyötysuhde on vähintään 90% koko taajuuskaistalla myös silloin kun antenniryhmän pääkeilaa ohjataan 0–60 astetta kohtisuoraan säteilyyn verrattuna. Lisäksi antennin aktiivisen suuntakuvion keilanleveyden tulisi olla 120 astetta.

Rako kytkettyä kerrostettua mikroliuska-antennielementtiä ja kahta erilaista Vivaldi antenni elementtiä tutkitaan sähkömagneettisien simulaatioiden avulla. Aluksi simulaatiot toteutetaan äärettömässä antenniryhmässä jaksollisen reunaehdon avulla. Kun kolmen edellä mainitun antennirakenteen parametrit on optimoitu, valitaan simulaatiotulosten ja rakenteiden valmistettavuuden perusteella lupaavin rakenne, joka simuloidaan äärellisessä 8 × 8 antenniryhmässä.

Vivaldi elementti, joka valittiin lupaavimmaksi rakenteeksi, toimii simulaatioiden perusteella lähes koko taajuuskaistalla yli 90% hyötysuhteella ottamatta huomioon joitakin keilan kääntökulmia suurilla taajuuksilla. Antennin aktiivisen suuntakuvion keilanleveys on 120 astetta. Simulaatiotulokset äärellisessä antenniryhmässä vastaavat hyvin simulaatiotuloksia äärettömässä antenniryhmässä.