Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: This project comprises the design, analysis, and construction of a Rotman lens with reduced conjugate-port coupling. The Rotman lens is a beam-forming network, used in wide-angle scanners to feed an antenna array. The scanning operation is based on optics and is therefore frequency invariant, a desirable feature of the Rotman lens compared to other beam-forming networks which employ phase shifters. The antenna array is connected to the lens's array ports via transmission lines. These array ports lie on the array contour which is designed so that a signal incident onto the antenna array will propagate into the lens and focus at a particular point. The position of this focal point depends on the signals direction of arrival at the array. Ports are placed on these focal points to feed and receive signals. Bootlace lenses allow up to four focal points for linear arrays whereas the Rotman lens is designed for three foci. Scanners usually require to scan many beam-widths, thus ports are employed along a focal arc which intersect these foci. Inter-focal ports do not focus perfectly and result in phase errors distributed across the array aperture. The derivation of three and four foci lenses is provided. There are several degrees of freedom at the designer's disposal, the e ect which these available parameters have on the lens geometry and phase errors is investigated. The waveguide implementa- tion of these lenses is examined, in which we use vertically polarised horns as feed ports and coaxial probes as array ports. Some designs of Rotman lenses published in literature show excess mutual cou- pling between symmetrically opposed feed ports. Using a model which approximates the array contour as a re ecting wall, we show that this is due to the re ected energy focusing on conjugate ports. It is identi ed that Rotman lenses designed for mini- mum phase errors will have near maximum conjugate-port coupling. Two Rotman lenses have been designed at 3; 5GHz for ve feed ports, eleven elements, and up to 30 scan angles. The rst is designed for minimum phase errors, and the second for the defocusing of the re ected energy from the focal arc. Simulations show up to a 10dB reduction in conjugate-port coupling for the second lens with a negligible degradation in performance from the phase errors. Measurements show that the re ected energy is spread between the feed ports as expected, compared to the focusing at a single port of the traditional Rotman lens. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie projek behels die ontwerp, analise en konstruksie van 'n Rotmanlens met verminderde simmetries oorstaande poort koppeling. Die Rotmanlens is 'n patroon- vormingsnetwerk wat gebruik word as samestellingvoer in wye hoek skandeerders. 'n Gewensde eienskap van die Rotmanlens bo faseskuif voernetwerke is dat die skan- deerwerking gebasseer is op optika en dus frekwensie onafhanklik is. Die antennasamestelling word deur transmissielyne verbind aan die antennapoorte van die lens. Hierdie poorte l^e op die samestellingkontoer wat ontwerp is om te verseker dat seine wat inval op die antennasamestelling sal voortplant in die lens en fokus op 'n spesi eke punt. Die posisie van die fokuspunt hang af van die invalshoek van die sein op die samestelling. Poorte word op hierdie fokuspunte geplaas om te seine te ontvang en te lanseer. Hierdie tipe lense kan tot vier fokuspunte h^e , waar die Rotman lens spesi ek vir drie fokuspunte ontwerp word. Skandeerders moet normaalweg etlike bundelwydtes wyd kan skandeer, en daarom word poorte geplaas op 'n straal wat die fokuspunte onderskep. Poorte wat weg van die fokus geplaas word toon 'n e ens uit fokus gedrag, wat vertaal na fasefoute in die samestelling stralingsvlak. Die a eiding van drie en vier fokus lense word verskaf. Daar is verskeie grade van vryheid tot die beskikking van die ontwerper, en die e ek wat die beskikbare parameters op die geometrie van die lens en die fase foute het word ondersoek. Die gol eier implimetering van hierdie lense word beskryf, waar vertikaal gepolariseerde horings as voerpoorte, en ko-aksiale lyne as antennapoorte gebruik word. Sommige Rotman lens ontwerpe in die literatuur toon beduidende koppeling tussen die simmetries oorstaande voerpoorte. Deur van 'n model gebruik te maak wat die samestellingkontoer as 'n weerkaatsende muur benader toon ons aan dat die koppeling geskied as gevolg van die weerkaatsde energie wat fokus in die simme- tries oorstaande poorte. Dit word identi seer dat Rotman lense wat vir minimum fasefoute ontwerp word bykans maksimum koppeling tussen simmetries oorstaande poorte tot gevolg het. Twee Rotman lense is ontwerp by 3; 5GHz vir vyf voerpoorte, elf antenna ele- mente en skandeer hoeke van 30. Die eerste is ontwerp vir minimum fasefoute en die tweede vir uit fokus weerkaatsde energie vanuit die fokus straal. Simulasies toon tot 10 dB vermindering in koppeling tussen simmetries oorstaande poorte vir die tweede lens met weglaatbare werkverrigting verswakking as gevolg van fasefoute. Metings toon dat die weerkaatsde energie, soos verwag, versprei word tussen die voerpoorte vergeleke met energie gefokus in 'n enkele poort soos by die tradisionele Rotman lens.

Efficient coverage of wireless telecommunication networks requires the ability to control the directions in which base station antennas radiate. Conventional phased array in base stations are composed of large numbers of radiating elements. Ideally, each one of the radiating elements should be controlled to precisely steer the beams produced by the array, but this can prove both complex and costly. Instead of feeding each one of them separately, the elements can be grouped into what is called subarrays. In which case, only the input of the subarray is controlled, feeding multiple radiating elements at once uniformly. The complexity is reduced, but so are the overall performance and beam steering capabilities. A subarray can instead be passively controlled with an analog circuit called a Beam Forming Network (BFN), giving more flexibility in the operation of the array. Such beamformer should be compact, cost-effective and introduce as little losses as possible to justify its integration in the complete antenna system. BFNs are built from couplers and phase shifters that can route and combine the input signals to produce the desired output signals. The design of those components is therefore key to obtaining array systems with the desired characteristics and performance. A stripline coupler and a stripline phase shifter are proposed in this work, both are broadband. They can be useful in a variety of applications. In this project, they are used to build a Butler matrix. This BFN is compact and could help reduce complexity in advanced antenna systems with respect to current technology. / Effektiv täckning av trådlösa telekommunikationsnätverk kräver förmågan att styra i vilka riktningar basstationsantenner strålar. Konventionell fasad array i basstationer är sammansatta av ett stort antal strålande element. Helst bör vart och ett av de strålande elementen styras för att exakt styra strålarna som produceras av arrayen, men detta kan visa sig vara både komplext och kostsamt. Istället för att mata var och en av dem separat, kan elementen grupperas i vad som kallas subarrayer. I vilket fall kontrolleras endast ingången av subarrayen, vilket matar flera utstrålande element på en gång enhetligt. Komplexiteten minskar, men det är också den övergripande prestandan och strålstyrningskapaciteten. Subarrayer kan istället styras passivt med en analog krets som kallas BFN, vilket ger mer flexibilitet i driften av arrayen. Sådana strålbildare bör vara kompakta, kostnadseffektiva och medföra så små förluster som möjligt för att motivera deras integration i hela antennsystemet. BFNs är byggda av kopplare och fasskiftare som kan dirigera och kombinera ingångssignalerna för att producera de önskade utsignalerna. Utformningen av dessa komponenter är därför nyckeln till att erhålla arraysystem med önskade egenskaper och prestanda. En stripline-kopplare och en stripline-fasskiftare föreslås i detta arbete, båda är bredbandiga. De kan vara användbara i en mängd olika tillämpningar. I det här projektet används de för att bygga en Butler-matris. Denna BFN är kompakt och kan bidra till att minska komplexiteten i avancerade antennsystem med avseende på nuvarande teknik.

Les systèmes de communications sans fils actuels imposent des contraintes très sévères en termes de la capacité du canal, la qualité de transmission tout en gardant les niveaux d'interférences et multi-trajets assez faibles. De telles contraintes ont rendu les antennes multifaisceaux un élément essentiel dans ces systèmes. Parmi les techniques permettant de réaliser une antenne multifaisceaux (sans avoir recours aux systèmes à balayages électroniques), un réseau d'antennes élémentaires est associé à un réseau d'alimentation (une matrice) à formation de faisceau (Beam Forming Network-BFN). Parmi les différents types de ces matrices, la matrice de Butler a reçu une attention particulière. Ceci est dû au fait qu'elle est théoriquement sans pertes et qu'elle emploie un nombre minimum de composants (coupleurs et déphaseurs) afin de générer l'ensemble de faisceaux orthogonaux demandé (avec l'hypothèse que le nombre de faisceau est une puissance de 2). Néanmoins, la matrice de Butler a un problème de conception majeur. Ce problème réside dans la structure de la matrice qui renferme des croisements ce qui a été adressé par différents travaux de recherches dans la littérature. Les Guide Intégré au Substrat (GIS) offrent des caractéristiques intéressants pour la conception des composants microondes et millimétriques faciles à intégrer sur un même support avec d'autres composants planaires. Les composants à base de GIS combinent les avantages des guides d'ondes rectangulaires, comme leur grand facteur de qualité Q, leur faibles pertes tout en étant compatible avec les technologies à faibles coûts comme le PCB et le LTCC. Vus ses caractéristiques attrayants, la technologie GIS devient un bon candidat pour la réalisation des matrices multifaisceaux faciles à intégrer avec d'autres systèmes en technologies planaires ou à base de guide GIS. Dans cette thèse, de nouveaux composants passifs sont développés en exploitant la technologie GIS en multicouches en vue de la réalisation d'une matrice de Butler 4x4 compacte et large bande. Les composants recherchés sont donc des coupleurs et des déphaseurs ayant des performances large bande en termes des amplitudes des coefficients de transmissions et les phases associés tout en gardant de faibles niveaux de pertes et de bonnes isolations. Différents techniques pour l'implémentation de déphaseurs large bande en technologie GIS sont présentés. Une nouvelle structure à base d'une propagation composite : main gauche main droite (Composite Right/Left- Handed, CRLH) dans un guide d'onde est proposée. La structure consiste d'un guide d'onde monocouche ayant des fenêtres inductives et des fentes transversales à réactances capacitives pour synthétiser l'inductance parallèle et la capacité série main gauche, respectivement. La structure est adaptée pour les réalisations de déphaseurs compacts en technologie GIS. Bien que les pertes d'insertions restent dans le même ordre de grandeur de celles des structures CRLH à base d'éléments non-localisés, ces niveaux de pertes restent relativement grands par rapport aux applications nécessitant plusieurs déphaseurs. Les déphaseurs à bases de GIS ayant des longueurs égales et des largeurs variables sont ensuite abordés. Ce type de déphaseur est effectivement très adapté à la technologie GIS qui permet des réalisations de parcours avec différentes formes (parcours droits, courbés, coudés, ..) tout en assurant des différences de phase large bande. Afin de satisfaire de faibles pertes d'insertions pour une large dynamique de phase, la longueur de ces déphaseurs est en compromis avec les variations progressives des différentes largeurs associées aux valeurs de déphasages requises. Une transition large bande, double couche et à faible perte est ainsi proposée. La transition est analysée à partir de son circuit électrique équivalent afin d'étudier les performances en termes de l'amplitude et la phase du coefficient de transmission par rapport aux différents paramètres structurels de la transition. Cette transition est ensuite exploitée pour développer un déphaseur à trois couches, large bande, en GIS. La structure consiste effectivement d'un guide d'onde replié à plusieurs reprises sur luimême selon la longueur dans une topologie trois couches à faibles pertes. De nouveaux coupleurs double couche en GIS sont également proposés. Pour les applications BFNs, une structure originale d'un coupleur large bande est développée. La structure consiste de deux guides d'onde parallèles qui partagent leur grand mur ayant une paire de fentes inclinées et décalées par rapport au centre de la structure. Une étude paramétrique détaillée est faite pour étudier l'impact des différents paramètres des fentes sur l'amplitude et la phase du coefficient de transmission. Le coupleur proposé a l'avantage d'assurer une large dynamique de couplage ayant des performances larges bandes en termes des amplitudes et les phases des coefficients de transmission avec de faibles pertes et de bonnes isolations entre le port d'entré et celui isolé. D'autre part, contrairement à d'autres travaux antérieurs et récents qui souffraient d'une corrélation directe entre la phase en transmission et le niveau de couplage, la structure proposée permet de contrôler le niveau de couplage en maintenant presque les mêmes valeurs de phase en transmission pour différents niveaux de couplage. Ceci le rend un bon candidat pour les BFNs déployant différents coupleurs telle la matrice de Nolen. Une deuxième structure originale d’un coupleur bibande est également proposée. La structure consiste de deux coupleurs concentriques en guide nervuré intégré au substrat avec un motif innovant de démultiplexage à base de GIS. Ce coupleur a été développé conjointement avec M. Tarek Djerafi de l’Ecole Polytechnique de Montréal dans un cadre de collaboration avec le Prof. Ke Wu. Finalement, pour l'implémentation de la matrice de Butler, la topologie double couche est explorée à deux niveaux. Le premier consiste à optimiser les caractéristiques électriques de la matrice, tandis que le second concerne l'optimisation de la surface occupée afin de rendre la matrice la plus compacte possible sans dégrader ses performances électriques. D'une part, la structure double couche présente une solution intrinsèque au problème de croisement permettant ainsi une plus grande flexibilité pour la compensation de phase sur une large bande de fréquence. Ceci est réalisé par une conception adéquate de la surface géométrique sur chaque couche de substrat et optimiser les différentes sections de GIS avec les différents parcours adoptés. La deuxième étape consiste effectivement à optimiser la surface sur chaque couche en profitant de la technologie GIS. Ceci consiste à réaliser des murs latéraux communs entre différents chemin électrique de la matrice en vue d'une compacité optimale. Les deux prototypes de matrices de Butler 4x4 sont optimisés, fabriqués et mesurés. Les résultats de mesures sont en bon accord avec ceux de la simulation. Des niveaux d'isolations mieux que - 15 dB avec des niveaux de réflexions inférieurs à -12 dB sont validés expérimentalement sur plus de 24% de bande autour de 12.5 GHz. Les coefficients de transmission montrent de faibles dispersions d'environ 1 dB avec une moyenne de -6.8 dB, et 10° par rapport aux valeurs théoriques, respectivement, sur toute la bande de fréquence. / Multibeam antennas have become a key element in nowadays wireless communication systems where increased channel capacity, improved transmission quality with minimum interference and multipath phenomena are severe design constraints. These antennas are classified in two main categories namely adaptive smart antennas and switched-beam antennas. Switched-beam antennas consist of an elementary antenna array connected to a Multiple Beam Forming Network (M-BFN). Among the different M-BFNs, the Butler matrix has received particular attention as it is theoretically lossless and employs the minimum number of components to generate a given set of orthogonal beams (provided that the number of beams is a power of 2). However, the Butler matrix has a main design problem which is the presence of path crossings that has been previously addressed in different research works. Substrate Integrated Waveguide (SIW) features interesting characteristics for the design of microwave and millimetre-wave integrated circuits. SIW based components combine the advantages of the rectangular waveguide, such as the high Q factor (low insertion loss) and high power capability while being compatible with low-cost PCB and LTCC technologies. Owing to its attractive features, the use of SIW technology appears as a good candidate for the implementation of BFNs. The resulting structure is therefore suitable for both waveguide-like and planar structures. In this thesis, different novel passive components (couplers and phase shifters) have been developed exploring the multi-layer SIW technology towards the implementation of a two-layer compact 4×4 Butler matrix offering wideband performances for both transmission magnitudes and phases with good isolation and input reflection characteristics. Different techniques for the implementation of wideband fixed phase shifters in SIW technology are presented. First, a novel waveguide-based CRLH structure is proposed. The structure is based on a single-layer waveguide with shunt inductive windows (irises) and series transverse capacitive slots, suitable for SIW implementations for compact phase shifters. The structure suffers relatively large insertion loss which remains however within the typical range of non-lumped elements based CRLH implementations. Second, the well-known equal length, unequal width SIW phase shifters is discussed. These phase shifters are very adapted for SIW implementations as they fully exploit the flexibility of the SIW technology in different path shapes while offering wideband phase characteristics. To satisfy good return loss characteristics with this type of phase shifters, the length has to be compromised with respect to the progressive width variations associated with the required phase shift values. A twolayer, wideband low-loss SIW transition is then proposed. The transition is analyzed using its equivalent circuit model bringing a deeper understanding of its transmission characteristics for both amplitude and phase providing therefore the basic guidelines for electromagnetic optimization. Based on its equivalent circuit model, the transition can be optimized within the well equal-length SIW phase shifters in order to compensate its additional phase shift within the frequency band of interest. This twolayer wideband phase shifter scheme has been adopted in the final developed matrix architecture.This transition is then exploited to develop a three-layer, multiply-folded waveguide structure as a good candidate for compensated-length, variable width, low-loss, compact wideband phase shifters in SIW technology. Novel two-layer SIW couplers are also addressed. For BFNs applications, an original structure for a two-layer 90° broadband coupler is developed. The proposed coupler consists of two parallel waveguides coupled together by means of two parallel inclined-offset resonant slots in their common broad wall. A complete parametric study of the coupler is carried out including the effect of the slot length, inclination angle and offset on both the coupling level and the transmission phase. The first advantage of the proposed coupler is providing a wide coupling dynamic range by varying the slot parameters allowing the design of wideband SIW Butler matrix in two-layer topology. In addition, previously published SIW couplers suffer from direct correlation between the transmission phase and the coupling level, while the coupler, hereby proposed, allows controlling the transmission phase without significantly affecting the coupling level, making it a good candidate for BFNs employing different couplers, such as, the Nolen matrix. A novel dual-band hybrid ring coupler is also developed in multi-layer Ridged SIW (RSIW) technology. This coupler has been jointly developed with Tarek Djerafi in a collaboration scenario with Prof. Ke Wu from the Ecole Polytechnique de Montréal. The coupler has an original structure based on two concentric rings in RSIW topology with the outer ring periodically loaded with radial, stub-loaded transverse slots. A design procedure is presented based on the Transverse Resonance Method (TRM) of the ridged waveguide together with the simple design rules of the hybrid ring coupler. A C/K dual band coupler with bandwidths of 8.5% and 14.6% centered at 7.2 GHz and 20.5 GHz, respectively, is presented. The coupler provides independent dual band operation with low-dispersive wideband operation. Finally, for the Butler matrix design, the two-layer SIW implementation is explored through a two-fold enhancement approach for both the matrix electrical and physical characteristics. On the one hand, the two-layer topology allows an inherent solution for the crossing problem allowing therefore more flexibility for phase compensation over a wide frequency band. This is achieved by proper geometrical optimization of the surface on each layer and exploiting the SIW technology in the realization of variable width waveguides sections with the corresponding SIW bends. On the other hand, the two-layer SIW technology is exploited for an optimized space saving design by implementing common SIW lateral walls for the matrix adjacent components seeking maximum size reduction. The two corresponding 4×4 Butler matrix prototypes are optimized, fabricated and measured. Measured results are in good agreement with the simulated ones. Isolation characteristics better than -15 dB with input reflection levels lower than -12 dB are experimentally validated over 24% frequency bandwidth centered at 12.5 GHz. Measured transmission magnitudes and phases exhibit good dispersive characteristics of 1dB, around an average value of -6.8 dB, and 10° with respect to the theoretical phase values, respectively, over the entire frequency band.

Massive multiple input multiple output - MIMO systems are a reality and modern communication systems rely upon this technology to cope with the increasing need for capacity and network usage. Antenna arrays are at the heart of the of the massive-MIMO system and are the enabling technology. The defining cost of such a system is the number of transmit receive ports TRx as they dictate the number of control points and the associated digital control computational capacity. Typically users are spread along the azimuth and there is limited angular user spread along elevation. This enables us to group the elements in elevation which of course limits the elevation scanning performance. The element grouping result in grating lobes when we do elevation scanning. In the newly introduced frequency range 3 - FR3 in the envisioned 6G communication systems that is from 6-20 GHz it will not be allowed to transmit power above the horizon and the resulting grating lobes from the standard grouping should be mitigated. This project is structured into two parts. In the first part a grating lobe mitigation technique based on irregular subarray grouping utilizing the wellknown Penrose irregular tessellation is developed. This tessellation is based into two geometrical shapes where when put together they can fully tile the space aperiodically. Introducing this apperiodicity the grating or quantization lobes of the array are mitigated. In addition, in the first part a beam forming algorithm is developed based on particle swarm optimization that is able to produce the optimal weights for the array steering as well as optimize some of the embedded patterns of the irregular grouping. The last optimization step of the irregular subarray patterns is utilized only when the grouping results in a narrow pattern in azimuth and as a result we have static single port beamforming networks. This of course is a trade off between the broadside gain and the azimuth steerability of the array. In the second part of this thesis two low loss band pass filters have been developed with a PCB integrated suspended stripline techology. The filters were optimised for the frequencies within FR3. The resulted filtering structures can further be integrated at the input port of the proposed feeding network with the same technology. The two parts of this thesis target to introduce on one hand a antenna array architecture with subarray groupings that produce no grating lobes and on the other hand the proposed filtering structures have small enough dimensions to fit within the subarray footprint. / Dagens moderna kommunikationssystem använder sig av Massive multiple input multiple output (m-MIMO) för att kunna möta det allt större kraven på kapacitet och nätverksanvändning. Gruppantenner är den mest fundamentala delen av massive-MIMO system och möjliggör dess funktion. För ett sådant system (m-MIMO-system), så kommer den största kostnaden från antalet sändare/mottagare (TRx) -portar som används. Antalet portar i ett massiveMIMO system bestämmer vilken kapacitet systemet har till hands när det gäller lobformning. Vanligtvis är användare utspridda i det horisontella planet, samtidigt som de är begränsade i sin spridning i höjdled. Detta möjliggör användandet av en gruppantenn som grupperar sina antennelement i höjdled, vilket såklart begränsar gruppantennens lobformning i höjdled. Grupperandet av antennelement skapar sidlober när gruppantennen lobformar i höjdled. I det nya frekvensbandet, 3 - FR3 i det föreställda 6G kommunikationssystemet som opererar mellan 6-20 GHz, så kommer det inte att vara tillåtet att sända ut effekt över horisonten, samtidigt som de sidlober som kommer från standardgruppering måste begränsas. Detta projekt är strukturerat i två delar. I första delen så presenteras ett sätt att lindra sidlober, som baseras på irreguljära gruppantenner via Penrose tessellation. Denna tessellation är indelad i två geometriska former sådan att när vi sätter ihop dem så kan de framgångsrikt täcka vår geometri icke-periodvist. Genom att introducera denna icke-periodicitet så kan sidloberna från gruppanetnnen lindras. Utöver detta så är också så är en lobformningsalgoritm skapad som baseras på particle swarm optimization (PSO), som kan skapa de optimala vikterna för lobformning och lobstyrning. Det sista optimiseringssteget av de irreguljära gruppantennmönstret används bara när gruppering av antennelement resulterar i ett snävt mönster i azimut-riktning. Därför använder vi ett statiskt enportsmatningsnätverk. Detta är såklart en vägning mellan bredsideförstärkning och förmågan att kunna lobforma i det horisontella planet. I den andra delen så har två låg förlust bandpassfilter utvecklats med en PCB-integrerad suspended sripline teknik. Filtrerna optimerades för frekvenser inom FR3. De resulterande filterstrukturerna kan integreras längs input-porten av det föreslagna matningsnätverket som använder sig av den samma teknik. De två delarna i denna uppsats presenterar dels en gruppantenn med irreguljär antennelementsindelning som lindrar sidlober, samt dels filterstrukturer som kan användas tillsammans med gruppantennen.