Optimization of reactively loaded antennas

Abstract

The evolution of wireless technologies has continuously increased the performance requirements of antennas. Modern communications and sensing systems rely on antennas with high efficiency, wide bandwidths, and versatile beamforming capabilities. Emerging technologies, such as sixthgeneration (6G) mobile networks, further raise these demands. In particular, accurate and adaptive control of antenna radiation patterns is required to maintain energy-efficient and reliable operation in next-generation systems.

This thesis presents a framework for designing antennas and antenna arrays with tailored radiation patterns. A particularly challenging but practically relevant design target is the synthesis of sparse antenna arrays, which are attractive in applications such as 6G base stations. The synthesis of appropriately radiating structures is approached by using reactively loaded antennas (RLAs), in which the radiation characteristics are controlled by additional reactive components, such as capacitors and inductors.

The first part of the thesis formulates a mathematical model for RLAs and introduces two novel optimization strategies for determining the reactive loads of the antennas. The proposed methods are based on optimization on a Riemannian manifold and dimensionality reduction using principal component analysis.

The second part of this thesis presents a method to analyze the performance potential of reactively loaded antennas. This analysis provides essential findings on the formulation of the optimization target, the suitability of the radiating structure's underlying base topology, and the required number of actively driven and reactively loaded antenna elements. The analysis is performed by computing the fundamental bounds of the reactively loaded antennas.

Finally, the third part validates the proposed design and analysis methods through the realization of sparse, grating-lobe-mitigated antenna arrays. Four printed-circuit-board (PCB) based antenna prototypes are designed with inter-element distances greater than half a wavelength. The optimized reactive loads effectively suppress grating lobes and shape the radiation pattern toward specified angular sectors. Experimental measurements confirm the practical feasibility and efficiency of the proposed RLA-based synthesis framework for next-generation wireless communication and sensing systems.

Antennien suorituskykyvaatimukset hyötysuhteen, kaistanleveyden ja keilanmuodostusominaisuuksien suhteen ovat kasvaneet valtavasti viime vuosikymmenien aikana. Tulevaisuuden langattomat järjestelmät, kuten kuudennen sukupolven (6G) matkapuhelinverkot, kasvattavat näitä vaatimuksia entisestään. Erityisesti antennien säteilykuvioiden tarkka ja dynaaminen ohjaus on tarpeellista tulevaisuuden viestintä- ja havaitsemissovelluksissa, joissa järjestelmiltä vaaditaan suurta tiedonsiirtokapasiteettia sekä energiatehokkuutta.

Väitöskirja käsittelee reaktiivisesti kuormitettuja antenneja ja antenniryhmiä. Niiden säteilyominaisuuksia, erityisesti säteilykuviota, muokataan rakenteeseen liitetyillä reaktiivisilla kuormilla, kuten keloilla ja kondensaattoreilla. Näin saadaan syntetisoitua antenneja, jotka soveltuvat esimerkiksi 6G-verkon tukiasemiin.

Työn ensimmäinen osa esittelee reaktiivisesti kuormitetun antenniryhmän matemaattisen mallin. Mallin pohjalta muodostetaan laskennallinen optimointiongelma, jossa optimoitavina parametreina ovat antennin reaktiiviset kuormat. Optimoinnin tavoitteena on muodostaa antenniryhmän elementeille säteilykuviot, jotka kattavat halutun kulma-alueen. Väitöskirja esittelee kaksi menetelmää optimointiongelman ratkaisemiseksi. Ne pohjautuvat optimointiin Riemannin monistolla sekä pääkomponenttianalyysiin.

Toinen osa tarkastelee reaktiivisesti kuormitettujen antennien fundamentaalisia rajoja. Niiden avulla voidaan arvioida, onko antennisynteesin tavoite määritelty asianmukaisesti ja onko valittu antennirakenne pohjimmiltaan riittävän hyvä optimointitavoitteen saavuttamiseksi. Fundamentaaliset rajat lasketaan numeerisesti optimointiongelman konveksin relaksaation avulla.

Kolmas osa väitöskirjasta esittelee uusia piirilevypohjaisia reaktiivisesti kuormitettuja antenniryhmiä. Niissä aktiivisesti syötettyjen antennielementtien väliset etäisyydet ovat epäsuotuisan suuret, jolloin antennisuunnittelussa pitää ottaa huomioon laskoskeilojen minimointi. Kehitetyillä reaktiivisesti kuormitetuilla antenneilla onnistutaan toteuttamaan antenniryhmiä, jotka vastaavat tähän erityisen haastavaan antennisuunnitteluongelmaan. Numeeristen simulaatioiden lisäksi antenneista valmistetaan fyysisiä prototyyppejä, ja niiden toimivuus varmennetaan sähkömagneettisten parametrien mittauksilla.