Surface wave minimization using spherical wave expansion
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2021-12-13
Department
Major/Subject
Microwave Engineering
Mcode
ELEC3051
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
72
Series
Abstract
Antennas may excite surface waves in structures that are large compared to wavelength. Such situation is e.g. in mobile phones with millimeter wave antennas. The surface waves may propagate on the display of the device and, for instance, generate additional back and side lobes into the radiation pattern. This may decrease the performance of the antenna. The aim of this work is to develop a systematic method for surface wave minimization that does not require in-depth analysis of the nature of the surface waves. The structures required for surface wave suppression are aimed to be small, so that only minor modifications to the structure of the wireless device are needed. The idea in the proposed method is to excite surface waves on the structure so that they cancel out the surface waves generated by the antenna. Those canceling surface waves are generated by using additional electromagnetic excitations, so called control ports. The focus of this work is to use spherical wave expansion for calculating suitable amplitudes and phases for control port feeding signals. In addition to active excitations, the control ports can be terminated with passive loads in order to minimize the surface waves. This work explains how the control ports can be implemented passively such that the electromagnetic waves scattered from the control ports are similar as the ones that were obtained by feeding the control ports actively. The presented method is tested with an one-element 25-GHz slot antenna. Two slot-shaped control ports are added close to the antenna slot, and their feeding amplitudes and phases are calculated using the proposed method. After that, the active signals in control ports are replaced with passive loads. The method is verified by electromagnetic simulations, which show that the antenna gain increased by 0.92 dB, which results from weakened surface waves. The method is also tested by simulations with a more realistic four-element bow-tie antenna. The study shows that applying this method in realistic antennas might cause challenges, because designing suitable control ports is not always straightforward. This work shows that the surface waves can be minimized with relatively small structures without in-depth knowledge of the nature of surface waves. Furthermore, a new functional application for spherical wave expansion has been found.Aallonpituuteen nähden suuriin rakenteisiin liitetyt antennit voivat herättää rakenteessa eteneviä, usein haitallisia pinta-aaltoja. Aallot etenevät rakenteiden pinnoissa, kuten matkapuhelimen näytössä. Pinta-allot voivat muun muassa tuottaa antennin säteilykuvioon taka- ja sivukeiloja, muuttaa sähkömagneettista tehoa lämmöksi tai lisätä antennien välistä kytkentää. Näistä vaikutuksista johtuen pinta-aallot tyypillisesti heikentävät antennin toimintaa. Työn tavoitteena on kehittää systemaattinen pinta-aaltojen minimointimenetelmä, joka ei vaadi syvällistä analyysiä pinta-aaltojen luonteesta. Pinta-aaltojen heikentämiseen vaadittavat rakenteet pyritään suunnittelemaan pienikokoisiksi, jotta menetelmää voidaan soveltaa mobiililaitteisiin ilman suuria rakenteellisia muutoksia. Esitetyssä menetelmässä herätetään laitteen pinnalle pinta-aaltoja, jotka kumoavat pois antennin herättämät pinta-aallot. Kompensoivat pinta-allot synnytetään rakenteseen lisätyillä sähkömagneettisilla herätteillä, niin kutsutuilla ohjausporteilla. Työn pääpaino on esittää, miten ohjausporttien signaalien amplitudit ja vaiheet lasketaan palloaaltohajotelman avulla. Aktiivisten signaalien lisäksi ohjausportit voidaan myös päättää passiivisilla impedanssikuormilla. Työssä selostetaan, miten pinta-aaltojen kumoamiseen tarvittavat ohjausportit voidaan toteuttaa passiivisesti niin, että niistä siroavat sähkömagneettiset aallot ovat samanlaisia kuin aktiivisten porttien herättämät aallot. Kehitetyn menetelmän toimivuus osoitetaan yksielementtisellä 25 GHz:n aukkoantennilla. Kaksi ohjausporttia sijoitetaan antenniaukon lähelle ja niille lasketaan sopivat syöttöamplitudit ja -vaiheet kehitettyä menetelmää hyödyntäen. Sen jälkeen ohjausporttien aktiiviset signaalit korvataan passiivisilla kuormilla. Pinta-aallot pienenevät huomattavasti, mikä voidaan todeta visuaalisesti simulointituloksista. Testiantennin vahvistus paranee menetelmän myötä 0,92 dBi:ä. Lisäksi menetelmää testataan realistisemmalla nelielementtisellä rusettiantennilla. Testi osoittaa, että menetelmän soveltaminen realistisiin antenneihin voi olla haastavaa, koska sopivien ohjausporttien suunnittelu ei ole aina aivan suoraviivaista. Työ osoittaa, että pinta-aallot voidaan minimoida suhtellisen pienillä rakenteilla. Esitellyn menetelmän myötä löydettiin uusi käytännöllinen sovellus sähkömagneettisen kentän palloaaltohajotelmalle.Description
Supervisor
Viikari, VilleThesis advisor
Lehtovuori, AnuKeywords
antennas, control ports, millimeter waves, mobile devices, spherical wave expansion, surface waves
