Studies on antenna arrays: Advanced manufacturing methods and integration of microwave components
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
G5 Artikkeliväitöskirja
| Defence date: 2025-04-11
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.
Authors
Date
2025
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
101 + app. 79
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 56/2025
Abstract
Radars, electronic warfare devices, and telecommunication systems use antenna arrays to transmit and receive radio frequency (RF) signals. Compared to single antennas, antenna arrays can electrically adjust their radiation patterns. New frequency bands have constantly been allocated to these systems, and the bandwidth of the RF signals has been increasing. For example, typical military radars use frequencies from 150 MHz to 18 GHz, depending on the specific radar. Furthermore, the current fifth-generation (5G) mobile networks can use frequency bands from 410 MHz to 71 GHz. The constant evolution of these systems has led to stricter demands for antenna arrays. Better electrical performance, smaller size, and lower price are expected by the industry, and the antenna arrays should also be compatible with various platforms. This thesis proposes solutions for these challenges by focusing on two aspects: new manufacturing methods and novel integration techniques of microwave components into antenna arrays. The first part of this thesis presents new manufacturing techniques for making lightweight antenna arrays without compromising electrical performance. The antenna arrays designed have been manufactured using an unconventional method, in which the antenna elements are metalized cavities in foam or plastic material instead of solid metal. This so-called inverted manufacturing technique provides a material-efficient manner to fabricate antenna arrays, resulting in up to 73% mass reduction compared with conventional, all-metal arrays. The designed antenna arrays operate at 2–6 GHz and 6–18 GHz frequency ranges, and they can steer the beam ±50° in both planes. The second part of this thesis concentrates on the integration of microwave components into antenna arrays. The thesis presents two antenna arrays, where wideband band-pass filters and lowpass filters are incorporated into Vivaldi antenna elements. The filters are based on corrugated slotlines, which are strongly dispersive. The designed antenna arrays operate at 1.3–3.1 GHz and 6–18.5 GHz frequency ranges, and their out-of-band suppression is 20–40 dB. The performance metrics of the filters, namely their attenuation and cut-off frequency, are independent of the beamsteering angle, which is a desirable property for phased arrays. In addition to filtering antenna arrays, the thesis investigates the integration of wideband push–pull amplifiers into an antenna array. The active antenna array is designed employing an antenna–amplifier codesign methodology, where the antenna array is designed to provide a suitable load impedance for the amplifier without a separate matching network. Because both the antenna and amplifier are differential, a balun is not needed in the antenna–amplifier interface. The advantages of the proposed design are its small size, simple structure, and large 2–5 GHz bandwidth. Every active antenna element can produce up to 12 W power, and thus the array is suitable for high-power applications such as multi-static radar transmitters.Tutkat, elektronisen sodankäynnin laitteistot ja televiestintäjärjestelmät käyttävät antenniryhmiä lähettääkseen ja vastaanottaakseen radiotaajuisia signaaleja. Yksittäisiin antenneihin verrattuna antenniryhmillä on mahdollista sähköisesti muuttaa niiden säteilykuviota. Näiden järjestelmien alati kehittyessä niille on osoitettu uusia taajuusalueita ja niiden signaalit ovat muuttuneet laajakaistaisemmiksi. Esimerkiksi tavanomaiset sotilastutkajärjestelmät toimivat tyypillisesti 0,15–18 GHz:n taajuusalueella, ja nykyisissä viidennen sukupolven (5G) matkapuhelinjärjestelmissä käytetään tai suunnitellaan käytettäväksi taajuusalueita aina 410 megahertsistä 71 gigahertsiin asti. Antenniryhmiä käyttävien järjestelmien kehitys on johtanut siihen, että myös antenniryhmiltä odotetaan parempaa suorituskykyä, pienempää kokoa, halvempaa hintaa ja sellaisia ominaisuuksia, jotka mahdollistavat niiden käytön laaja-alaisesti erilaisilla alustoilla. Tämä väitöskirja tarjoaa ratkaisuja näihin haasteisiin tutkimalla uusia valmistusteknologioita ja mikroaaltokomponenttien integroimista antenniryhmiin. Väitöskirjan ensimmäisessä puoliskossa esitetään uudenlaisia valmistusmenetelmiä, joiden avulla voidaan tehdä suorituskyvyltään hyviä, kevyitä antenniryhmiä. Suunnitellut antenniryhmät on toteutettu epätavanomaisella tekniikalla, jossa antennielementit ovat muoviin tai vaahtomuoviin jyrsittyjä koloja. Kolot on metalloitu, jolloin ne toimivat sähköisesti antennielementteinä. Tämän valmistusmenetelmän ansiosta antenniryhmien massaa voidaan vähentää jopa 73 % verrattuna tavanomaiseen, kokometalliseen antenniryhmään. Valmistetut antenniprototyypit toimivat 2–6 GHz:n ja 6–18 GHz:n taajuusalueilla, ja ne kykenevät ±50° keilankääntöalueeseen kaikissa leikkaustasoissa. Väitöskirjan jälkimmäinen puolisko käsittelee mikroaaltokomponenttien integroimista osaksi antenniryhmiä. Väitöskirjassa esitellään kaksi eri Vivaldi-antenniryhmää, joihin on integroitu laajakaistaiset kaistanpäästö- ja alipäästösuodattimet. Suodatintekniikka perustuu korrugoituihin rakojohtoihin, jotka ovat vahvasti dispersiivisiä. Antenniryhmät toimivat 1,3–3,1 GHz:n ja 6–18,5 GHz:n taajuusalueilla ja niiden estokaistan vaimennus on 20–40 dB. Integroitujen suodattimien suorituskyky, eli estokaistan vaimennus ja katkotaajuudet, eivät riipu keilankääntökulmasta, mikä on olennainen vaatimus vaiheohjatuille antenniryhmille. Suodattimien integroinnin lisäksi väitöskirjassa tutkitaan laajakaistaisten vuorovaihevahvistimien integr imista osaksi antenniryhmää. Vahvistin suunnitellaan yhdessä antenniryhmän kanssa, jolloin vahvistimen ja antennielementin väliin ei tarvita erillistä sovituspiiriä. Koska sekä vuorovaihevahvistin että antennielementti ovat differentiaalisia, myöskään erillistä symmetrointimuuntajaa ei tarvita. Väitöskirjassa esitellyn aktiiviantenniryhmän ominaisuuksia ovat muun muassa pieni koko, yksinkertainen rakenne ja laaja, 2–5 GHz:n taajuuskaista. Jokainen antennielementti kykenee tuottamaan 12 W:n tehon, joten aktiiviantenniryhmä soveltuu parhaiten korkeatehoisiin sovelluksiin, kuten monipaikkatutkan lähettimeksi.Description
Supervising professor
Viikari, Ville, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandThesis advisor
Ala-Laurinaho, Juha, Dr., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandHolopainen, Jari, Sen. Univ. Lect., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Keywords
active antenna array, amplifier, antenna array, filtering antenna array, integration, Vivaldi antenna, aktiiviantenniryhmä, antenniryhmä, integrointi, suodattava antenniryhmä, vahvistin, Vivaldi-antenni
Other note
Parts
-
[Publication 1]: M. Kuosmanen, S. E. Gunnarsson, J. Malmström, H. Kähkönen, J. Holopainen, J. Ala-Laurinaho, and V. Viikari, “Dual-Polarized 2–6 GHz Antenna Array With Inverted BoR Elements and Integrated PCB Feed,” IEEE Open Journal of Antennas and Propagation, vol. 3, pp. 229–237, 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202202091834DOI: 10.1109/OJAP.2022.3143993 View at publisher
-
[Publication 2]: M. Kuosmanen, S. E. Gunnarsson, J. Malmström, J. Holopainen, J. Ala-Laurinaho, and V. Viikari, “Dual-Polarized 6–18-GHz Antenna With Low-Profile Inverted BoR Elements,” IEEE Open Journal of Antennas and Propagation, vol. 4, pp. 3–11, 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202302282234DOI: 10.1109/OJAP.2022.3227546 View at publisher
-
[Publication 3]: M.Kuosmanen, J. Ala-Laurinaho, J. Holopainen, and V. Viikari, “Antenna Array Based on 3D-printed Plastic BoR Elements Coated with Conductive Paint,” in Proceedings of the 2023 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Florence, Italy, March 2023, 5 pages.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308014618DOI: 10.23919/EuCAP57121.2023.10133144 View at publisher
-
[Publication 4]: M. Kuosmanen, J. Holopainen, J. Ala-Laurinaho, T. Kiuru, and V. Viikari, “Filtering Antenna Array Based on Corrugated Vivaldi Elements,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 71, no. 8, pp. 6546–6557, August 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308235009DOI: 10.1109/TAP.2023.3278879 View at publisher
-
[Publication 5]: M. Kuosmanen, S. E. Gunnarsson, J. Malmström, J. Ala-Laurinaho, J. Holopainen, and V. Viikari, “Dual-Polarized Wideband Filtering Antenna Array Based on Stacked-PCB Structure,” IEEE Open Journal of Antennas and Propagation, vol. 6, no. 1, pp. 38–50, February 2025.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202502242502DOI: 10.1109/OJAP.2024.3466234 View at publisher
- [Publication 6]: M. Kuosmanen, J. H. S. Bergman, J. Ala-Laurinaho, J. Holopainen, and V. Viikari, “Measurement of an Antenna Array With a Waveguide Simulator,” accepted for publication in 2025 19th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Stockholm, Sweden, December 2024, 5 pages
- [Publication 7]: M. Kuosmanen, J. Holopainen, J. Ala-Laurinaho, and V. Viikari, “Wideband Antenna Array With Integrated Push–Pull High-Power Amplifiers,” submitted to IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 5 pages, December 2024