Antenna pattern correction techniques at submillimeter wavelengths

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-04-27
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
59, [40]
Series
Helsinki University of Technology Radio Laboratory publications. Report S, 287
Abstract
Hologram- and reflector-based compact antenna test ranges (CATRs) have shown potential for measurement of large submillimeter wave antennas. However, the measurement accuracy of these ranges needs to be still improved for measuring low side lobe antennas. The measurement accuracy of these ranges can be improved by using antenna pattern correction techniques. Several such techniques have been developed for microwave frequencies but most of them are not directly applicable at submillimeter wavelengths. In this thesis, four antenna pattern correction techniques that are applicable at submillimeter wavelengths are developed: feed scanning based antenna pattern comparison (APC) method, frequency shift method, and two methods that are based on a virtual antenna array. Applicabilities of these methods are studied analytically, and they are verified with simulations and measurements in a hologram-based compact antenna test range at 310 GHz. The feed scanning based APC is applicable for compact antenna test ranges. In this method, the corrected antenna pattern is obtained from the antenna patterns measured with different range feed locations. The antenna pattern of the antenna under test (AUT) is measured at several frequencies in the frequency shift method. This method, which was originally developed for lower frequencies, is now found to be especially applicable for hologram-based CATRs. The method is able to compensate partially a possible non-ideal operation of the hologram, because a hologram is a dispersive element. Virtual array correction techniques are suitable for far-field and compact ranges. In these methods, the antenna pattern of the AUT is measured at several accurately known locations. These measurements form a virtual antenna array at each rotation angle of the AUT. The array factor of each array is modulated such that it has a constant gain towards the desired signal and high attenuation to other directions. Estimates of the antenna pattern of the antenna under test and the angular interference spectrum of the test range are taken into account in the array synthesis. One method uses an alternating projections method for array synthesis, whereas the other method maximizes the signal-to-interference ratio in the measurement. The correction accuracies of the feed scanning APC and frequency shift method are found to be approximately equal to that of the conventional APC. The correction accuracies of the virtual array methods are found to be much better than that of the APC.

Heijastimeen ja hologrammiin perustuvat kompaktit antennimittauspaikat ovat lupaavia keinoja suurten alimillimetriaaltoalueen antennien mittaamiseen. Näiden mittauspaikkojen mittaustarkkuus on kuitenkin vielä riittämätön hyvin suuntaavien antennien mittaamiseen. Mittauspaikkojen mittaustarkkuutta voidaan parantaa antennin suuntakuvion korjausmenetelmien avulla. Lukuisia korjausmenetelmiä on kehitetty mikroaaltotaajuuksille, mutta useimmat niistä eivät sovellu alimillimatriaaltoalueelle. Tässä työssä on kehitetty neljä erityisesti alimillimetriaaltoalueelle sopivaa antennin suuntakuvion korjausmenetelmää: syötön siirtoon perustuva suuntakuvioiden vertailumenetelmä, taajuuden poikkeutukseen perustuva menetelmä, sekä kaksi menetelmää, jotka perustuvat virtuaaliseen antenniryhmään. Menetelmien käyttökelpoisuutta on tarkasteltu teoreettisesti ja menetelmien toimivuus on varmennettu simuloinnein ja mittauksin hologrammiin perustuvassa antennimittauspaikassa taajuudella 310 GHz. Syötön siirtoon perustuvassa menetelmässä tutkittavan antennin suuntakuvio mitataan useasti siten, että antennimittauspaikan syöttö on eri paikassa jokaisen mittauksen aikana. Korjattu suuntakuvio lasketaan mitatuista suuntakuvioista. Tässä työssä on osoitettu, että aiemmin mikroaaltotaajuuksille kehitetty taajuuden poikkeutusmenetelmä soveltuu erityisen hyvin hologrammiin perustuvaan kompaktiin antennimittauspaikkaan. Menetelmän avulla voidaan korjata osa hologrammin mahdollisesta epäideaalisesta toiminnasta syntyvistä virheistä. Menetelmässä korjattu suuntakuvio lasketaan usealla eri taajuudella mitatuista suuntakuvioista. Virtuaaliseen antenniryhmään perustuvat menetelmät sopivat kompakteihin- ja kaukokenttämittauspaikkoihin. Näissä menetelmissä tutkittavan antennin suuntakuvio mitataan useassa tarkasti tunnetussa kohdassa antennimittauspaikkaa. Mittaustuloksista muodostetaan virtuaalinen antenniryhmä jokaisella antennin kiertokulmalla. Antenniryhmille syntetisoidaan ryhmäkuviot, joilla on vakiosuuntaavuus halutun signaalin suuntaan ja mahdollisimman pieni suuntaavuus muihin suuntiin. Suuntakuvion synteesissä otetaan huomioon arviot tutkittavan antennin suuntakuviosta ja häiriösignaalien kulmaspektristä. Toisessa korjausmenetelmässä synteesi perustuu iteratiiviseen vuorottelevien projektioiden menetelmään, kun taas toisessa menetelmässä käytetty synteesi maksimoi signaali-häiriösuhteen. Syötön siirtoon perustuvan suuntakuvioiden vertailumenetelmän ja taajuuden poikkeutukseen perustuvan menetelmän mittaustarkkuuden on havaittu olevan samaa luokkaa perinteisen suuntakuvioiden vertailumenetelmän tarkkuuden kanssa. Virtuaalisiin antenniryhmiin perustuvien menetelmien mittaustarkkuuden on havaittu olevan edellisiä parempi.
Description
Keywords
antenna measurements, compact range, error compensation, submillimeter wave measurements, alimillimetriaaltoalue, antennimittaukset, kompakti mittauspaikka, virheen korjaaminen
Other note
Parts
  • J. Häkli, T. Koskinen, A. Lönnqvist, J. Säily, J. Mallat, J. Ala-Laurinaho, V. Viikari, A. V. Räisänen, and J. Tuovinen, Testing of a 1.5-m reflector antenna at 322 GHz in a CATR based on a hologram, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 10, pp. 3142-3150, Oct. 2005. [article1.pdf] © 2005 IEEE. By permission.
  • V. Viikari, J. Mallat, J. Ala-Laurinaho, J. Häkli, A. Karttunen, T. Koskinen, A. Lönnqvist, E. Noponen, M. Vaaja, and A. V. Räisänen, New pattern correction techniques for submm-wave CATRs, Proceedings of the European Conference on Antennas and Propagation, Nice, France, Nov. 6-10, 2006, CD-rom, ESA SP-626, paper no. 368102. [article2.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • V. Viikari, J. Mallat, J. Ala-Laurinaho, J. Häkli, and A. V. Räisänen, A frequency shift technique for pattern correction in hologram-based CATRs, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, no. 10, pp. 2963-2968, Oct. 2006. [article3.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • V. Viikari, J. Häkli, J. Ala-Laurinaho, J. Mallat, and A. V. Räisänen, A feed scanning based APC technique for compact antenna test ranges, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 10, pp. 3160-3165, Oct. 2005. [article4.pdf] © 2005 IEEE. By permission.
  • V. Viikari, V.-M. Kolmonen, J. Salo, and A. V. Räisänen, Antenna pattern correction technique based on an adaptive array algorithm, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, accepted with minor revision for publication, 2006. [article5.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • V. Viikari and A. V. Räisänen, Antenna pattern correction technique based on signal to interference ratio optimization, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, accepted for publication, 2006. [article6.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009209