With the rise of 5G and the increasing number ofdevices, novel antenna designs are needed to meet the demandof the future. In this report, the authors present a design andexperimental verification of a 3D-printed Geodesic ModulatedReflective Luneburg lens antenna working at the X-Band, 8-12GHz. The lens profile is calculated from the refractive index of aflat system using transformation optics. Furthermore, the lens ismodulated to minimize the height and chamfers are implementedto reduce reflections. A sliding waveguide connected to a coaxialcable is used to excite the lens while the transmitted signal isradiated from a sinusoidal flare. A copper-lined PLA substrateconstitutes the 3D-printed lens. The authors achieved a S11 below-10 dB across the spectrum and a realized gain exceeding 10 dBacross the sweeping angles at 12 GHz, showcasing the usabilityas a directed antenna. / Med det nya 5G nätverket och den ökandemängden enheter behövs nya antenner för att möta framtidensefterfrågan. I denna rapport presenterar författarna en designoch experimentell verifiering av en 3D-printad geodesisk moduleradreflekterande Luneburg linsantenn i X-bandet, 8-12 GHz.Linsprofilen beräknas från brytningsindexet för ett platt systemmed transformationsoptik. Dessutom är linsen modulerad föratt minimera höjden och kantavfasningar implementeras föratt minska reflektioner. En glidande vågledare ansluten till enkoaxialkabel används för att excitera linsen medan den sända signalenutstrålas från en vågledare med sinusformad avrundning.Ett kopparfodrat PLA-substrat utgör den 3D-printade linsen.Författarna uppnådde en S11 under -10 dB över spektrumet ochen realiserad förstärkning överstigande 10 dB över svepvinklarnavid 12 GHz, vilket visar linsens användbarhet som riktad antenn. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2021, KTH, Stockholm

The new and forthcoming generation of mobile networks intend to operate at considerably higher frequencies than the previous systems. This lift in frequency of operation alleviates today’s communication systems’ crowded bandwidth and allows for faster data rates than previously possible. However, the suggested increase in frequency of operation introduces new challenges and new antenna solutions are required. One possible candidate for the future communication systems is the Luneburg lens antenna that offers high gain, a simple feeding network and wide-angle scanning. Scanning of lens antennas occurs by placing several feeds along its focal line, but where the width size of the feed place a major constraint on the achievable crossover level between beams. In this thesis, we aim to increase the crossover level between beams in a geodesic Luneburg lens antenna. The importance of a high crossover level is to ensure a more equal performance in terms of data rate transfer to all end users. Here, we investigate two different methods on achieving a higher crossover level. The first method is to utilize a near-field lens while the other method concerns the usage of a generalized Luneburg lens that allows to displace the focal point outside the lens’ contour. A comparison study of these two alternatives are made where it is shown that a generalized Luneburg lens is the preferable choice. A generalized geodesic Luneburg lens is thereafter designed that attains a crossover level of -3:87 dB at the central frequency 62 GHz for the center port. The lens performs well with a bandwidth of 15% and a scanning range between ±52°. The reflection coefficient is below -13 dB in the frequency range of interest and the cross-talk is below -17:9 dB. The realized gain is simulated to 19:01 dBi at 57 GHz, 20:85 dBi at 62 GHz and 21:34 dBi at 67 GHz for the central port. / Den nya och de kommande generationerna av mobilnät avser att fungera på betydande högre frekvenser än tidigare system. Det här lyftet i frekvens minskar den trånga bandbredden i dagens kommunikationssytem och tillåter för snabbare datahastigheter än tidigare möjligt. Däremot, den förslagna ökningen av frekvens introducerar nya utmaningar och därmed behövs nya antennlösningar. En möjlig kandidat för det framtida kommunikationssystemet är Luneburg linsantennen som erbjuder en hög antennförstärkning, ett enkelt matningsnätverk och en bred vinkelskanning. Vinkelskanning av linsantenner sker genom att placera flera matningar längs dess fokallinje, men där bredden på matningarna utgör en stor begränsning för den nåbara korsningsnivån mellan strålningsfält. Det här examensarbetets syfte är att öka korsningsnivåerna mellan strålningsfälten i en geodetisk Luneburg linsantenn. Betydelsen att ha höga korsningsnivåer mellan strålningsfält är att säkerhetsställa en mer jämn prestanda av datahastigheter för alla slutanvändare. Vi undersöker två olika metoder för att uppnå högre korsningsnivåer. Den första metoden använder en närfältslins medan den andra metoden använder sig av en generaliserad Luneburg lins som tillåter att förflytta fokalpunkten utanför linsens kontur. En jämförelsestudie mellan dessa två metoder är genomförd där det visas att den generaliserade Luneburg linsen är det fördelsaktiga valet. En generaliserad Luneburg lins är därefter designad som uppnår korsningsnivåer på -3:87 dB på den centrala frekvensen 62 GHz för center porten. Linsen fungerar väl med en bandbredd på 15% och vinkelskanning mellan ±52°. Reflektionskoefficienten är under -13 dB i frekvensområdet av intresse och kopplingen mellan olika portar är under -17:9 dB. Den realiserade antennförstärkningen är simulerad till 19:01 dBi vid 57 GHz, 20:85 dBi vid 62 GHz och 21:34 dBi vid 67 GHz.

In the sub-THz frequency range, the geodesic lens can realize low losses and beam scanning capability with high gain and high aperture efficiency due to its fully metallic property and rotational symmetry. Therefore, in high-frequency applications, a geodesic lens is considered a more promising solution in comparison to phased arrays or other beamforming techniques. To realize dual polarization for geodesic lenses, a polarization rotator using fully metallic screens can be placed at the lens aperture to increase the channel capacity. In this thesis, we propose a dual-polarized fully metallic geodesic lens antenna with the operation frequency centered at 120 GHz. The proposed design contains two layers of geodesic lenses and two polarization rotators placed in their respective apertures with ±45° polarization. By using a twist waveguide for the feeding, we eliminate the leakage caused by the air gap between the metal plates. The simulation results show that the dual-polarized lens can achieve an angular scanning range of ±60° and its scanning loss is 0.6 dB, with an aperture efficiency of 90%. Finally, we propose a prototype design with mechanical considerations to ensure robustness in future manufacturing, assembly, and testing. / Geodetiska linser kan tillämpas åt frekvenser under THz för att realisera låga förluster och strålscanningskapacitet med både hög förstärkning och apertureffektivitet, detta på grund av dess fullt metalliska egenskaper samt rotationssymmetri. I högfrekventa tillämpningar anses därför en geodetisk lins vara lovande i jämförelse med en fasstyrda gruppantenn eller andra strålformningstekniker. Ytterligare så kan polarisationsrotatorer med helt metalliska skärmar kan placeras vid linsöppningen för att realisera korspolariserade fält samt öka kanalkapaciteten hos geodetiska linser. I denna avhandling föreslårs en justerbar korspolariserad samt fullt metallisk geodetisk linsantenn centrerad runt 120 GHz. Den föreslagna designen innehåller två lager geodetiska linser och två polarisationsrotatorer placerade i sina respektive utgångar med respektive polarisatonsförskjutning på ±45°. Genom att använda en vriden vågledare för matningen så eliminerars läckaget som normalt följer av luftgapet mellan metallplattorna. Simuleringsresultaten visar att den korspolariserade linsen kan uppnå ett avsökningsområde inom vinklar ±60° men en skanningsförlust på 0,6 dB, detta med en apertureffektivitet på 90%. Slutligen föreslår vi en prototyp med hänsyn till mekaniska aspekter för att säkerställa robusthet i framtida tillverkning, montering och testning.