Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The triple layer pillbox antenna is an antenna topology well suited for use as a stackable "plank" element in radar applications. Its suitability arises from the folding which makes it compact, and from the layered nature which can be exploited for low cost manufacture. Existing designs of these "cheese" antennas, whether two or three layers, suff er from two drawbacks: a) The bend or fold between layers introduces undesirable reflections and b) Due to their parabolic sector geometry virtually no pattern control is available to the designer. This work addresses both of these shortcomings. A low reflection transition is realized by introducing simple compensating elements into the design which, with minimal manufacturing complexity, off er high performance over a broad frequency and incidence angle range. To cater for pattern control the concept of "dual shaped reflectors" is borrowed from the high performance dish antenna literature and implemented in the pillbox geometry. This shaping off ers limited but useful control of the aperture distribution and thus indirectly over the radiation pattern. To test these innovations three X-band antennas have been designed, built and measured. An initial unshaped geometry is used for the fi rst design to show the fold or bend performance. This antenna has a simulated and measured 2GHz usable bandwidth, with a reflection coeffi cient below -10dB and side-lobes below -27dB over a bandwidth in excess of 20%. Shaping is then added to show how either side-lobe levels can be lowered to below -32dB, or the gain enhanced by 2dB. The enhanced designs have been built and experimentally veri fied. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die drie-dubbel gevoude pildoos antenna is `n antenna topologie wat goed gepas is vir die gebruik as `n stapelbare "plank" element vir radar aanwending. Sy geskiktheid kom vanwee die vou van die struktuur wat dit meer kompak maak sowel as die konstruksie moontlik goedkoper maak. Huidige ontwerpe van die antenna strukture, hetsy twee of drie lae, ly aan twee tekortkominge: a) Die buiging of vou tussen die lae veroorsaak ongewensde weerkaatsings en b) Weens hul paraboliese meetkunde is feitlik geen beheer oor die stralings patroon beskikbaar nie. Hierdie werk spreek beide hierdie tekortkominge aan. `n Lae weerkaatsing by die oorgang is verkry deur eenvoudige kompenserende elemente by die ontwerp in te voeg wat, met minimale vervaardigings kompleksiteit, hoë werkverrigting lewer oor `n breë frekwensie en invals hoek spektrum. Om patroon beheer te voorsien is die konsep van "dubbele gevormende weerkaatsers" geleen vanaf die hoë verkverrigting skottel antenna literatuur en in die pildoos meetkunde ingestel. Hierdie vorming lewer beperkte dog nuttige beheer oor die openings verspreiding en dus indirek oor die stralings patroon. Om hierdie nuwighede te toets is drie X-band antennas ontwerp wat gebou en gemeet is. 'n Aanvanklike ongevormende meetkunde is gebruik vir die eerste ontwerp om die vou of buiging se werksverrigting te bewys. Hierdie antenna het `n gesimuleerde en gemete 2GHz bruikbare bandwydte met `n weerkaatsings kwosiënt onder -10dB en sylobbe van minder as -27dB oor `n bandwydte van meer as 20%. Vorming is dan bygevoeg om te bewys dat of verlaagde sylobbe van onder -32dB of verhoogde aanwins met 2dB verkrygbaar is. Die verbeterde ontwerpe is gebou en eksperimenteel bewys.

[pt] A síntese de duplos refletores com um alimentador dielétrico é estudada sob as considerações da ótica geométrica. A análise ótica do problema leva a uma equação diferencial parcial não-linear de 2ª ordem do tipo Monge- Ampére. Soluções particulares desta equação, as geometrias Cassegrain e Gregoriana off-set, são apresentadas e estudadas. Estas são usadas como soluções iniciais no processo iterativo de síntese. / [en] The synthesis of offset dual reflectors with dieletric feed is studied under the assumptions of geometrical optics. The optical analysis leads to a nonlinear second- order partial differential equation of the Monge-Ampére type. Particular solutions described by offset Cassegrain or Gregorian configurations are presented. These are used as initial solutions in the iterative process of synthesis.

[pt] Este trabalho aborda o projeto de antenas omnidirecionais de duplorefletores, onde o refletor principal é obtido a partir de uma geratriz circular. A antena é composta de refletores circularmente simétricos e concêntricos que são alimentados por uma corneta cônica coaxial excitada pelo modo TEM para a produção de polarização vertical. Para realizar este estudo são utilizadas técnicas de síntese e de análise eletromagnética rigorosa. A técnica de análise eletromagnética rigorosa é baseada na associação do Método de Casamento de Modos para representar os campos no interior do alimentador e do Método dos Momentos para solucionar as equações integrais para o campo elétrico e para o campo magnético e determinar a corrente elétrica induzidas sobre as paredes metálicas externas e a amplitude dos modos sobre a abertura da corneta. A técnica de síntese destas antenas é baseada na aplicação dos princípios da Ótica Geométrica para modelar o subrefletor que irá produzir uma distribuição de fase uniforme em uma abertura cônica colocada em frente ao refletor principal com geratriz circular. O estudo exploratório sobre o desempenho destas antenas é dividido em três partes. Na primeira, as soluções fornecidas pela síntese ótica e aproximações para os campos na abertura são utilizadas para identificar configurações de antenas compactas ou que maximizem o ganho ao longo do plano horizontal. Entretanto, pode-se obter uma melhor iluminação da área de cobertura através da inclinação do lobo principal (down tilt). Para reduzir o custo de fabricação de um conjunto de antenas que atendam diferentes áreas de cobertura, pode-se utilizar o mesmo refletor principal e modelar os subrefletores para deslocar a direção de máximo do diagrama. Assim, em uma segunda etapa do estudo paramétrico, são considerados alguns refletores principais, e, para cada um deles, é obtida uma família de subrefletores modelados para deslocar o máximo do diagrama no plano vertical. Esta estratégia se torna efetiva na medida em que o custo de fabricação do subrefletor é menor do que o do refletor principal. Na terceira parte, utilizando o método híbrido composto pelo Método do Casamento de Modos e pelo Método dos Momentos, é feito o modelamento da corneta coaxial TEM com o objetivo de reduzir sua perda de retorno e estender sua banda de operação. Por fim, ainda utilizando este método híbrido, é feita uma análise rigorosa das antenas duplo-refletoras propostas neste trabalho, procurando otimizar o desempenho destas antenas em termos do diagrama de radiação e da perda de retorno. / [en] This work presents a design study of omnidirectional dual-reflector antennas, where the main reflector is obtained from a circular generatrix. The antenna is composed of two concentric circularly symmetric reflectors and it is fed by a coaxial conical horn excited by TEM mode to produce vertical polarization. To obtain the subreflector surface, the study employs a GO synthesis technique to shape the subreflector in order to produce a uniform phase distribution in a conical aperture placed in front of the main reflector. To validate the results, it is employed a rigorous electromagnetic analysis technique based on the association of Mode Matching Technique to represent the fields inside the horn and Method of Moments to solve the integral equations of electric and magnetic fields. The solution of Method of Moments yields the induced electric current on the outer surface of the horn and the amplitude of the modes on the aperture of the horn. The exploratory study is divided in three parts. First, by using the GO approximations for the aperture fields, the geometry parameters are explored to identify compact antenna configurations that maximize the gain along the horizontal plane. However, a more uniform coverage of the ground can be obtained by tilting the main lobe. Thus, in a second step of the parametric study, it is considered a family of designs with the same main reflector and a set of subreflectors that are designed for different tilt angle of main lobe. This strategy is effective to reduce the manufacturing costs of a family of antennas designed to provide different coverage. Third, by using the hybrid method, the TEM coaxial horn is shaped to reduce the return loss and extend its operating band, and, finally, the overall antennas performance is optimized by controlling radiation pattern and return loss.