Millimetre and submillimetre wave antenna design using ray tracing

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-09-10
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
204
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 127/2013
Abstract
The millimetre and submillimetre wave frequency ranges have many current and potential applications for example in satellite technology and telecommunications. Electrically large antennas are needed in several applications, e.g., in order to achieve high antenna gain with a narrow beam. Reflector and lens antennas, with all dimensions large compared to the wavelength, are commonly designed using ray tracing. Ray tracing is based on a high frequency approximation of Maxwell’s equations. The main advantage of ray tracing is the decreased computational effort as compared to more accurate full-wave methods. In this thesis, ray tracing is used in both synthesis and simulation of electrically large antennas. In the first part of this thesis, a 650 GHz dual reflector feed system (DRFS) is designed, tested, and used in a hologram-based compact antenna test range (CATR). The DRFS provides shaped illumination that simplifies the hologram manufacturing. A ray-tracing based numerical synthesis method is used to design the 650 GHz DRFS. It is tested with antenna measurements prior to the compact range measurements. The designed DRFS is used successfully in a full scale compact range, in which a 1.5-m antenna is tested at 650 GHz. In the second part of this thesis, several beam-steering integrated lens antennas (ILAs) are designed with ray-tracing simulations. Antenna prototypes are designed, fabricated, and tested at 77 GHz with antenna measurements. Electrical beam steering is demonstrated with integrated feed arrays and switching networks. Also, beam-steering properties of ILAs with a wide range of different lens permittivities and feed element directivities are studied with ray-tracing simulations. Lens shapes are developed for improvement of the beam properties at large beam-steering angles. With a low permittivity ILA, an intermediate eccentricity, compared to those of the conventional hemispherical and elliptical lenses, is found to have smaller scan loss and lower side-lobes with large beam-steering angles of about 30°. Placing the feeds on a spherical surface of an extended hemispherical ILA is found to result in a beam shape and gain that remain nearly constant at beam-steering angles up to about 25°. A typical disadvantage of a beam-steering ILA is the increase of the internal reflections with the increase of the feed offset. It is shown that the extension of a low permittivity extended hemispherical ILA can be shaped to significantly reduce the internal reflections. It is also shown that it is possible to design an integrated lens antenna with low reflection loss (< 1 dB), for moderate beam-steering angles (< 15°), with any lens permittivity and with any feed element directivity. The reduction of internal reflections is based on the selection of the original ellipse radius larger than the final lens radius and designing the shape of the extension for minimal reflections.

Millimetri- ja alimillimetriaaltoalueilla on monia nykyisiä ja potentiaalisia sovelluskohteita, esimerkiksi satelliiteissa ja tietoliikenteessä. Sähköisesti suuria antenneja tarvitaan monissa sovelluksissa, jotta saavutettaisiin suuri antennin vahvistus ja kapea keila. Heijastin ja linssiantennit, joiden kaikki mitat ovat suuria suhteessa aallonpituuteen, suunnitellaan yleisesti käyttäen säteenseurantaa. Säteenseuranta perustuu geometriseen optiikkaan, joka on korkean taajuuden approksimaatio Maxwellin yhtälöistä. Tärkein etu säteenseurannalla suhteessa tarkempiin menetelmiin on pienempi laskennallinen kuormitus. Tässä työssä säteenseurantaa käytetään sähköisesti suurien antennien synteesiin ja simuloimiseen. Työn ensimmäisessä osassa 650 GHz:n kaksiheijastiminen syöttöjärjestelmä suunnitellaan, testataan ja sitä käytetään hologrammiin perustuvassa antennimittapaikassa. Syöttöjärjestelmää käytetään muotoillun valaisun aikaansaamiseksi hologrammille, mikä helpottaa hologrammin valmistusta. Suunnitteluun käytetään säteenseurantaan perustuvaa numeerista synteesimenetelmää. Syöttöjärjestelmä testataan antennimittauksin ennen käyttöä. Suunniteltua syöttöjärjestelmää käytetään menestyksekkäästi täyden mittakaavan antennimittapaikassa, jossa 1,5 m:n antenni testataan 650 GHz:llä. Työn toisessa osassa suunnitellaan säteenseurantaa käyttäen integroituja linssiantenneja. Useita antenneja suunnitellaan, valmistetaan ja testataan 77 GHz:n taajuudella. Sähköinen keilankääntö demonstroidaan käyttäen integroituja syöttöryhmiä ja kytkinverkkoja. Linssien keilankääntöominaisuuksia tutkitaan säteenseurannalla vertaillen eri permittiivisyyksiä ja syötön suuntaavuuksia. Keilankääntöominaisuuksia kehitetään muotoilemalla linssiä. Kun tarkastellaan noin 30° keilankääntöaluetta, havaitaan, että matalan permittiivisyyden linsseillä paras eksentrisyys on perinteisten jatkettujen puolipallolinssien ja elliptisten linssien eksentrisyyksien väliltä. Toisaalta, jos asetetaan syöttöantennit pallomaiselle pinnalle jatketun puolipallolinssin tapauksessa, saavutetaan keilan muoto ja vahvistus, jotka pysyvät lähes vakioina 25°:n keilankääntökulmille asti. Tyypillisesti, kun syöttöantenni on kaukana linssin optisesta polttopisteestä, syntyy merkittävästi sisäisiä heijastuksia. Työssä osoitetaan, että näitä haitallisia heijastuksia voidaan merkittävästi vähentää muotoilemalla jatketun puolipallolinssin jatkos osaa. Lisäksi osoitetaan, että on mahdollista suunnitella linssin muoto siten, että heijastuhäviö on matala (< 1 dB) kohtuullisille keilankääntökulmille saakka (< 15°) käyttäen mitä tahansa linssin permittiivisyyttä tai syötön suuntaavuutta. Heijastuhäviöiden vähentäminen perustuu siihen, että valitaan alkuperäisen ellipsin pikkuakseli lopullista linssin sädettä suuremmaksi ja että linssiä muotoillaan heijastusten minimoimiseksi.
Description
Supervising professor
Räisänen, Antti, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Ala-Laurinaho, Juha, Dr., Aalto University, Finland
Keywords
antenna measurements, beam steering, lens, ray tracing, reflector antenna, antennimittaukset, keilankääntö, linssi, säteenseuranta, heijastinantenni
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A. Karttunen, J. Häkli, and A. V. Räisänen, “Design of a 650 GHz dual reflector feed system for a hologram-based CATR,” European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Nice, France, paper 359216, Nov. 6–10, 2006.
  • [Publication 2]: A. Karttunen, M. Vaaja, and A. V. Räisänen, “Antenna measurement at 650 GHz with a planar near-field scanner,” Proceedings of the 29th Annual Meeting & Symposium of the Antenna Measurement Techniques Association (AMTA), St. Louis, MO, USA, pp. 330–336, Nov. 4–9, 2007.
  • [Publication 3]: A. Karttunen, J. Ala-Laurinaho, M. Vaaja, T. Koskinen, J. Häkli, A. Lönnqvist, J. Mallat, A. Tamminen, V. Viikari, and A. V. Räisänen, “Antenna tests with a hologram-based CATR at 650 GHz,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 57, no. 3, pp. 711–720, Mar. 2009.
  • [Publication 4]: A. Karttunen, J. Ala-Laurinaho, R. Sauleau, and A. V. Räisänen, “A study of extended hemispherical lenses for a high-gain beam-steering antenna,” European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Barcelona, Spain, p. A25-1/1842008, Apr. 12–16, 2010.
  • [Publication 5]: J. Ala-Laurinaho, A. Karttunen, J. Säily, A. Lamminen, R. Sauleau, and A. V. Räisänen, “Mm-wave lens antenna with an integrated LTCC feed array for beam steering,” European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Barcelona, Spain, p. C09P1-2/1841151, Apr. 12–16, 2010.
  • [Publication 6]: A. Karttunen, J. Ala-Laurinaho, R. Sauleau, and A. V. Räisänen, “Optimal eccentricity of a low permittivity integrated lens for a high-gain beam-steering antenna,” European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Rome, Italy, pp. 3522–3526, Apr. 11–15, 2011.
  • [Publication 7]: A. Karttunen, J. Säily, A. Lamminen, J. Ala-Laurinaho, R. Sauleau, and A. V. Räisänen, “Using optimized eccentricity Rexolite lens for electrical beam steering with integrated aperture coupled patch array,” Progress In Electromagnetics Research B, vol. 44, pp. 345–365, 2012.
  • [Publication 8]: A. Karttunen, J. Ala-Laurinaho, R. Sauleau, and A. V. Räisänen, “Reduction of internal reflections in low permittivity integrated lens antennas,” Millimetre Wave Days, Espoo, Finland, May 23–25, 2011.
  • [Publication 9]: A. Karttunen, J. Ala-Laurinaho, R. Sauleau, and A. V. Räisänen, “Extended hemispherical integrated lens antenna with feeds on a spherical surface,” European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Gothenburg, Sweden, pp. 2463–2467, 8–12 Apr. 2013.
  • [Publication 10]: A. Karttunen, J. Ala-Laurinaho, R. Sauleau, and A. V. Räisänen, “2D beam-steering with non-symmetrical beam using non-symmetrical integrated lens antenna,” European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Prague, Czech Republic, pp. 2976–2980, Mar. 25–30, 2012.
  • [Publication 11]: A. Karttunen, J. Ala-Laurinaho, R. Sauleau, and A. V. Räisänen, “Reduction of internal reflections in integrated lens antennas for beam-steering,” Progress In Electromagnetics Research, vol. 134, pp. 63–78, 2013.
Citation