Advances in Beam-Steerable and Low-Scattering Antennas for Communications and Sensing

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2021-04-23
Date
2021
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
80 + app. 70
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 38/2021
Abstract
Communication networks are being developed to handle the increased wireless data traffic that the existing systems cannot handle. Fifth-generation mobile networks (5G) are adopting millimeter-wave (mm-wave) frequencies for higher spectral efficiency and wider spectral bands in order to increase network capacity. Additionally, the number of network antennas will increase exponentially, since the propagation at mm-waves suffers from intrinsic atmospheric attenuation. Furthermore, the mm-wave antennas are required to be highly efficient, and beam-steering capabilities are also necessary to focus capacity where it is needed. The first part of this thesis discusses phased array designs for the mm-wave base-station applications and tools for the analysis and optimization of the antennas. The presented antennas operate in Ka- and E-bands, and they combine low-loss, waveguide-based power division networks and antenna elements with phase shifters that are integrated on a printed circuit board (PCB). The resulting proposals are antennas with high efficiency, where the majority of the losses are caused by the used phase shifters. The performances of both antennas (e.g., their beam-steering capabilities) have been validated with measurements. Furthermore, the antenna diagnostic results based on the holography data are presented, along with optimization methods that allow performance enhancement in terms of higher antenna gain and lower side lobes. Because antenna development can be a time-consuming and costly process, utilizing the same antenna in multiple different scenarios is desirable. The second part of the thesis explains how the previously presented Ka-band antennas, which were initially developed for communications, can be used in imaging applications. A frequency-diverse imaging method is explained, in which a computational algorithm is used to reconstruct the image from the observation data. A theoretical evaluation and experimental test results are presented. The proposed method has been used successfully to reconstruct an image of the scene locating a conducting sphere, and future research paths are discussed. Modern radar applications may require co-locating multiple antennas together, especially if the area or the volume reserved for the antennas is limited. Therefore, electrically invisible or transparent antennas that do not affect the performance of the co-existing antennas are required. The third and final part of the thesis focuses on this topic and describes the design steps required to realize a low-scattering antenna, i.e., an inductively loaded, chopped dipole that is transparent at a higher frequency than where it operates. It is experimentally demonstrated how the radar cross section of the designed antenna is reduced at the higher frequency 15 dB, while the radiation efficiency of the dipole decreases 0.4 dB at its operation frequency due to the inductive loading.

Tulevaisuuden viestintäverkkoja kehitetään vastaamaan alati kasvavan dataliikenteen asettamia vaatimuksia. Viidennen sukupolven matkapuhelinverkot (5G) hyödyntävät millimetri-aaltotaajuuksia (mm-aalto) verkon kapasiteetin parantamiseksi, mm. lisäämällä käytettävissä olevaa taajuuskapasiteettia. Lisäksi verkon rakentamiseen tarvittavien antennien määrä tulee kasvamaan eksponentiaalisesti, sillä mm-aalloilla ilmakehän vaimennus kasvaa. Mm-aaltoantennien on myös oltava energiatehokkaita ja niiden täytyy tukea sähköistä antennikeilan kääntöä, jotta kapasiteettia voidaan kohdistaa sinne, missä sitä tarvitaan. Tämän väitöskirjan ensimmäisessä osassa esitellään tukiasemasovelluksiin soveltuvia mm-aalloilla toimivia vaiheistettuja antenniryhmiä ja käsitellään työkaluja kyseisten antennien analysointiin sekä optimointiin. Antennit toimivat Ka- ja E-kaistoilla, ja niiden uutuusarvona on piirilevypohjaisten vaiheensiirtimien integroiminen matalahäviöiseen, aaltoputkiin pohjautuvaan antennirakenteeseen. Näillä antenneilla on korkea hyötysuhde, ja suurin osa niiden häviöistä johtuu käytetyistä vaiheensiirtimistä. Antennien suorituskyky, esim. keilankääntö, on todennettu mittauksin. Samoihin antenneihin liittyen esitellään myös holografiatietoihin perustuvat antennidiagnostiikkatulokset yhdessä optimointimenetelmien kanssa. Menetelmät mahdollistavat antennien tarkemman analysoimisen ja suorituskyvyn parantamisen suuremman vahvistuksen ja matalampien sivukeilatasojen muodossa. Koska antennien kehitystyö voi olla aikaa vievää ja kallista, on suositeltavaa käyttää samoja antenneja useissa eri sovelluksissa. Väitöskirjan toisessa osassa selitetään, miten alun perin viestintään kehitettyjä, edellä mainittuja Ka-kaistan antenneja voidaan käyttää kuvantamisessa. Tätä varten on työssä kehitetty antennikeilojen taajuusdiversiteettiä hyödyntävä kuvantamismenetelmä, jossa laskennallisesti muodostetaan kuva havainnoitavasta avaruudesta mittadatan perusteella. Työssä esitellään menetelmään liittyvät teoreettiset ja kokeelliset tulokset sekä keskustellaan mahdollisista uusista tutkimuspoluista. Väitöskirjan kolmas osa keskittyy sähköisesti läpinäkyviin/näkymättömiin antenneihin. Nykyaikaiset tutkasovellukset saattavat edellyttää useiden antennien keskinäistä yhteensopivuutta ja sijoittamista rinnakkain, varsinkin jos antenneille varattu alue on rajallinen. Sähköinen läpinäkyvyys tarkoittaa väitöskirjan kontekstissa vähäistä sirontaa, ja tälläiset antennit eivät vaikuta muiden läheisten antennien suorituskykyyn. Työssä esitellään suunnitteluperusteet vähäisen sironnan antennille ja lopputuloksena on induktiivisesti kuormitettu dipoliantenni, joka on läpinäkyvä korkeammilla taajuuksilla, kuin millä se itse toimii. Suunnitellun dipolin tutkapoikkipinta-ala pienenee korkeammilla taajuuksilla 15 dB verrattuna referenssirakenteeseen, ja samanaikaisesti antennin säteilyhyötysuhde heikkenee 0.4 dB sen toimintataajuudella.
Description
Defence is held on 23.4.2021 11:00 – 14:00 Remote: https://aalto.zoom.us/j/68339893260
Supervising professor
Viikari, Ville, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Thesis advisor
Ala-Laurinaho, Juha, Dr., Aalto University, Finland
Keywords
beam steering, phased arrays, phase shifters, sensing, imaging, low scattering, loaded antennas, keilankääntö, vaiheistetut ryhmät, vaiheensiirtimet, kartoitus, kuvantaminen, vähäinen sironta, kuormitetut antennit
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Md. Mazidul Islam, Mikko Leino, Rasmus Luomaniemi, Jinsong Song, Risto Valkonen, Juha Ala-Laurinaho, and Ville Viikari, “E-Band Beam- Steerable and Scalable Phased Antenna Array for 5G Access Point,” International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2018, Article ID 4267053, 10 pages, Nov. 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201901141154
    DOI: 10.1155/2018/4267053 View at publisher
  • [Publication 2]: Mikko K. Leino, Resti Montoya Moreno, Risto Valkonen, Juha Ala-Laurinaho, and Ville Viikari, “Waveguide-Based Phased Array with Integrated Element- Specific Electronics for 28 GHz,” IEEE Access, vol. 7, pp. 90045–90054, Jul. 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201908154657
    DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2925458 View at publisher
  • [Publication 3]: Mikko K. Leino, Md. Mazidul Islam, Juha Ala-Laurinaho, and Ville Viikari, “Diagnostics of the Phased Array for E-band Using Holography Data,” in Proceedings of the 48th European Microwave Conference, Madrid, Spain, 25–27 Sep. 2018, pp. 1457–1460.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201901301435
    DOI: 10.23919/EuMC.2018.8541725 View at publisher
  • [Publication 4]: Mikko K. Leino, Jan Bergman, Juha Ala-Laurinaho, and Ville Viikari, “Beam Optimization for 28 GHz Phased Array Utilizing Measurement Data,” in Proceedings of the 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Copenhagen, Denmark, 15–20 Mar. 2020, 5 pages.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202009115386
    DOI: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135596 View at publisher
  • [Publication 5]: Mikko K. Leino, Juha Ala-Laurinaho, Zenith Purisha, Simo Särkkä, and Ville Viikari, “Millimeter-wave Imaging Method based on Frequency- Diverse Subarrays,” in Proceedings of the 2019 12th Global Symposium on Millimeter Waves (GSMM), Sendai, Japan, 22–24 May 2019, pp. 104–106.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201910015553
    DOI: 10.1109/GSMM.2019.8797670 View at publisher
  • [Publication 6]: Mikko K. Leino, Jan Bergman, Juha Ala-Laurinaho, and Ville Viikari, “Millimeter-wave Frequency-Diverse Imaging with Phased Array Intended for Communications,” revised version accepted for publication in Progress In Electromagnetics Research M, vol. 101, 9 pages, Dec. 2020.
    DOI: 10.2528/PIERM20120102 View at publisher
  • [Publication 7]: Mikko K. Leino, Juha Ala-Laurinaho, Anders Höök, Bengt Svensson, and Ville Viikari, "Low-Scattering Chopped Dipole for Secondary SurveillanceRadar,” Submitted for publication, 9 pages, Dec. 2020
Citation