Low-profile fully-metallic Luneburg lens antenna

Autor: Djounidi, Justine
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: Modern communication systems face new technological challenges, such as the narrowness and overload of the conventional frequency bands employed for these applications. Nowadays, communication systems are expected to operate at higher frequencies, such as the mm-wave band. In particular, for space applications, specific environmental conditions make it necessary to design low-profile, lightweight and high gain systems with wide-angle scanning capabilities. Traditional solutions are reflectors antennas or planar arrays. Reflectors often end up being bulky, whereas array antennas are lossy and costly. Lens antennas, unpopular at low frequencies due to their large size, offer a better solution in this context, due to their focusing properties, wide-scanning capability, and broadband behaviour. Among lens antennas, geodesic lens antennas have recently increased interest since they are fullymetallic and easy to manufacture. Previous research aiming at reducing the profile of geodesic lens antennas, while preserving high performances, allowed a total height reduction by a factor 4. In this work, I investigate the possibility of reducing the profile even further by following a different approach. Instead of folding by mirroring the curved profile, the lens antenna is built with circular ridge structures, in an attempt to discretize the original profile. Different approaches have been proposed. First, designs with different numbers of squared ridges were proposed. The reflections are reduced by chamfering the corners of the ridges. Moreover, triangle ridges and alternating the ridges orientation have also been investigated. The final design has four squared ridges with the same orientation. This design was chosen due to its radiation performance. This approach reduces the profile by a factor 18. A prototype has been manufactured working on the frequency band [24,34] GHz. The scanning range is ±62◦, reflections levels are below -15 dB and at 29 GHz the maximum realized gain is equal to 15.75 dBi. This solution offers attractive properties, mainly due to its compactness. The height of the lens antenna is restricted by the flare, which was set at λ/2. This means that this lens antenna can be stacked in a linear array with grating-lobe-free performance in the elevation plane.
Moderna kommunikationssystem står inför nya tekniska utmaningar, såsom smalheten samt överbelastning inom de konventionella frekvensband som avsatts för tillhörande applikationer. Nutida kommunikationssystem förväntas operera på högre frekvenser, vilket implicerar våglängder på millimeternivå. Särskilt inom rymdapplikationer så finns förutbestämda miljömässiga förhållanden som nödvändiggör användning av lågprofilerade och lättviktiga system med hög antennförstärkning samt möjlighet för vidvinkelskanning. Traditionella lösningar omfattar både reflektorantenner och plana gruppantenner, vilket antingen är otympligt respektive kostsamt. Linsantenner, otympliga och därav opopulära val inom lägre frekvenser, visar sig vara bra lösningar i given kontext. Detta följer av linsernas fokuseringsegenskaper, breda skanningsförmåga samt naturligt stora frekvensband. Inom guppen av linsantenner så har geodetiska linsantenner fått ökat intresse till följd av dess simpla tillverkningsprocess samt fullt metalliska struktur. Tidigare forskning som syftat åt att minska profilen tillsammande med bibehållen prestanda, har lyckats minska höjden men en faktor av fyra. I detta arbete så undersöks möjligheten att krympa profilen ytterligare via användning av ett nytt angreppssätt. I stället för att vika linsen överstämmande med en kurvig profil, så formas linsantennerna med cirkulära ås-strukturer (små böjningar) i strävan efter att diskretisera den ursprunglig profilen. Olika tillvägagångssätt visas i detta arbete. Först visas profiler med ett varierande antal kvadratiska åsar. Reflektioner längs profilen reduceras vid introduktion av fasningar av kvadratens tillhörande hörn. Ytterligare så har triangulära åsar samt riktningen (ås med riktning upp eller riktning ned längs den horisontella profilen) av samtliga typer utvärderats. Den slutliga designen har fyra kvadratiska åsar i samma riktning, ett designval baserat på strålningsprestanda. Arbetet visar att det sistnämnde tillvägagångssättet minskar profilen med en faktor av 18. En fungerande prototyp inom frekvensbandet [24,34] GHz har tillverkats baserat på sistnämnd design, som uppnår ett skanningsområde upp till 62◦, en reflektionsnivå under -15 dB samt en maximal antennförstärkning på 15.75 dBi vid 29 GHz. Den föreslagna lösningen erhåller attraktiva egenskaper, främst med avseende på dess kompakthet. Höjden på linsantennen begränsas av en matchande flank med en halv våglängd stor öppning, så att flertalet linsantenner kan staplas och forma en linjär gruppantenn vars prestanda utesluter större sidolober längs höjdplanet.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: