With the rapid adoption and development of new standards, Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology is becoming a necessity in current wireless systems. One problem posed by using multiple antennas at a transmitter or receiver is the undesirable effect of signal correlation between closely-spaced radiating elements. This thesis presents the concept, design, and evaluation of a hemispherical lens antenna for use in MIMO systems. A high-permittivity dielectric material allows radiating elements to be placed in close proximity with reduced spatial correlation effects. An intermediate matching layer and a hemispherical lens design facilitate the preservation of the pattern characteristics in the transition between the dielectric and free-space. The antenna was simulated against benchmark antenna arrays in free-space and showed a 35%-70% improvement in channel capacity in multipath-rich environments, showing strength as a candidate for further development in MIMO applications.

With the rapid adoption and development of new standards, Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology is becoming a necessity in current wireless systems. One problem posed by using multiple antennas at a transmitter or receiver is the undesirable effect of signal correlation between closely-spaced radiating elements. This thesis presents the concept, design, and evaluation of a hemispherical lens antenna for use in MIMO systems. A high-permittivity dielectric material allows radiating elements to be placed in close proximity with reduced spatial correlation effects. An intermediate matching layer and a hemispherical lens design facilitate the preservation of the pattern characteristics in the transition between the dielectric and free-space. The antenna was simulated against benchmark antenna arrays in free-space and showed a 35%-70% improvement in channel capacity in multipath-rich environments, showing strength as a candidate for further development in MIMO applications.

The Global L-band Observatory for Water Cycle Studies (GLOWS) is designed as a follow-on to the Soil Moisture Active Passive (SMAP) observatory launched in 2015. While GLOWS is essentially copying many aspects of the SMAP mission, a key change has been made in the antenna technology. SMAP uses a reflector antenna and to reduce mission costs GLOWS uses a metamaterial lens antenna. This type of antenna is less efficient, so it must be proven that GLOWS can achieve the same uncertainty levels in soil moisture measurements as SMAP. In this work, a unified framework for modeling and analyzing GLOWS' ability to meet all mission and measurement requirements is developed. A model for the uncertainty effects of the lens antenna is developed and used to show that so long as the lens efficiency is above a threshold determined by the accuracy of the lens physical temperature knowledge, GLOWS will also be able to achieve all measurement requirements. It is shown that GLOWS is able to copy the design parameters of SMAP and achieve the same mission requirements.

This thesis deals with the design of lens antennas for automotive radar in 77 GHz bandwidth. The work explains methods of designing waveguides as well as horn antennas and dielectric lens. A simulation of three designed horn antennas is performed in CST Microwave Studio. Antennas with spherical and hyperbolical lens are simulated as well and subsequently optimized for maximal gain. The thesis also investigates effects of the lens permittivity on its properties. Furthermore, the work deals with a design of an antenna system with minimalized antenna coupling. Nylon, ABS and photopolymer lens are designed and compared afterwards. ABS and photopolymer lens were produced by 3D print

The development of 5G and 6G entails new demandson antennas. This includes fast and reliable connections to a largenumber of devices. A wider area of coverage, and thus moreantennas are also expected, which is problematic for the expensiveantennas used today. To meet those demands, a geodesic lensantenna has been proposed. The antenna utilises several feedingports for beam forming. It is designed to operate at a frequencyof 8 to 12 GHz and is optimised to have an even coverage in thefar-field. The design is modulated with one fold to reduce theheight of the antenna. A prototype of the antenna is 3D printedwith PLA and coated with aluminium tape. The design has asimulated realised gain of 13.5 dBi and beam width of around30°. The 3D printed antenna could not be tested due to technicalproblems with the testing facilities, but is expected to have similarresults. / Med utvecklingen av 5G och 6G kommer stora krav på antenner. Flera enheter skall kunna vara uppkopplade och samtidigt krävs högre hastigheter med stabil uppkoppling. Utöver det ställs det även krav på en bred täckning vilket innebär att fler antenner behöver kopplas upp, vilka har höga kostnader idag. För att möta dessa krav har en design för en geodetisk linsantenn lagts fram. Antennen använder flera ingångar för att skapa en riktbar stråle. Den är designad för att operera inom frekvenserna 8 till 12 GHz och är optimerad för att få en jämn täckning i fjärrfältet. Designen nyttjar en vikning för att minska antennens höjd. En prototyp av antennen tillverkas med hjälp av 3D printad plast som beläggs med aluminiumtejp. Designen har en simulerad förstärking av 13.5 dBi och en strålbredd runt 30°. Den 3D printade antennen kunde inte testas på grund av tekniska problem med testutrustningen men förväntas ha liknande resultat som den simulerade. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

Face à la demande croissante de débits de données de plus en plus élevées, l’une des principales solutions proposées par la 5G est de densifier le réseau en y intégrant notamment de nouvelles « Small cells ». La réorganisation de l’architecture du réseau mobile pour s’adapter à l’intégration poussée de ces Small cells, fait naître la problématique de la connexion backhaul entre les stations de bases desservant les Small cells et le cœur de réseau. Ainsi, des liaisons backhaul de plusieurs Gb/s de données sont nécessaires pour pouvoir assurer un débit de données d’au moins 100Mb/s à l’utilisateur qui est l’un des objectifs fixés pour la 5G. Les solutions de connexion backhaul sans fils ont un avantage indiscutable face aux coûts de déploiements de fibres optiques qui sont très élevés. Pour augmenter la capacité spectrale des liaisons sans fils, l’utilisation des fréquences millimétriques au-delà de 6 GHz caractérisées par des larges bandes passantes sera prochainement discutée pour la 5G durant le World Radiocommunication Conference 2019. Parmi ces fréquences, les bandes V (57-66GHz) et E (71-76 GHz et 81-86 GHz) ont un intérêt indéniable grâce aux larges bandes passantes disponibles ainsi qu’aux conditions de licenciement peu exigeantes. Les travaux développés dans cette thèse consistent à concevoir des antennes directives à large bande passante permettant d’établir les liens backhaul point-à-point sans fils (LoS). En exploitant les technologies de fabrications à faibles coût telles que l’impression 3D et Printed Circuit Board (PCB) sur des substrats FR4, la conception de deux types d’antenne directives a été étudiée à savoir des antennes lentilles et des antennes réseaux. / In order to address the ever-increasing demand of higher data rates, adding small cells to the existing macrocells infrastructure is one of the most important milestones of the 5G roadmap. With the integration of small cells and the re-organization of the network topology, backhaul bottleneck is the main challenge to address in the near future. Facing the costs of deployments of fiber optic connections, point-to-point wireless backhaul links using millimeter wave (mmW) frequencies are gaining prominence. 5G future frequencies, to be discussed under the World Radiocommunication Conference 2019 (WRC-19) open-up the way towards mmW frequency band where large bandwidths are naturally available. The high bandwidths available at these frequencies enable several Gbps data rate backhaul links, which is un utmost necessity to respect the 100 Mbps user-experienced data rate promised by the 5G standard. Millimeter-wave frequencies in V and E-bands unlicensed/light licensed spectrum are considered as primary candidates for backhaul links. In addition to the light license regime, the high free space path loss experienced at these frequencies is rather beneficial to limit the interference between small cells links. Moreover, the high available bandwidths at V and E-bands enable to achieve multi Gb/s links without using complex modulation schemes. In this thesis, we focused our research study on developing high gain wide-band antennas usable in point-to-point backhaul links in a Line of Sight (LoS) context. Leveraging cost-efficient technologies like 3D printing and Printed Circuit Board (PCB) on FR4 substrates, we studied two high-gain antenna types: lens antennas and flat array antennas.

With the rise of high frequency communication systems such as 5G, new types of antennas has to be developed in order to meet the new requirements. In recent years, lens antennas made of periodic structures has been shown to have desirable performance when increasing operational frequency without increasing the size of the antennas. One way of manufacturing the lenses for the antennas are with 3D printers loaded with dielectrics with specified permittivity. This project group studied the process of designing and manufacturing a flat Maxwell fish eye lens at 5 GHz with a bandwidth of 3.5 GHz to 6 GHz. The resulting design is a lens based on a periodic configuration of cuboid unit cells made from dielectrics which consisted of a hole. By choosing the ratio of dielectric and holes in the unit cells, each part of the lens could be tuned to achieve a specific effective refractive index required for realising the Maxwell fish eye lens.

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.

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.

In recent years, there has been a huge increase in the use of satellite communications. This has led to a need for more capacity, which can be solved by moving towards higher frequency bands in search of higher bandwidths. However, the use of higher frequencies entails higher link losses, which makes it essential to use highly directional and steerable antennas. Traditionally, phased array antennas have been used for this kind of application. Nevertheless, they have a limitation in the maximum scan angle due to their effective aperture, which causes a gain reduction following the cosine of the scanning angle. A way of improving the scan range is to add a dielectric radome on top of the array. However, high computational times are needed to simulate this kind of structure using full-wave simulations. For this reason, the first part of this work is focused on adapting and improving an in-house Ray Tracing tool for the particular application under study. The tool computes the path the rays follow from the array to the aperture of the radome using geometric optics, then calculates the amplitude of the electric field at the aperture using ray tube theory, and finally determines the antenna’s radiation pattern using Kirchhoff’s diffraction formula. Moreover, some features have been added to the code to be able to compute the directivity, calculate the absorption and reflection losses, simulate multilayer radomes, and change the array elements’ radiation patterns. A model in Comsol has been developed to validate the results obtained using the Ray Tracing tool and all its added features. Finally, several optimizations have been carried out to increase the scanning range while maintaining a maximum height, and ensuring it complies with the regulatory masks for satellite communications. The optimizations have been performed both using a Particle Swarm Optimizer and manually. / Under de senaste åren har det skett en stor ökning av satellitkommunikations användning. Detta har lett till ett behov för högre kapacitet, vilket kan lösas genom att flytta till högre frekvensband på jakt efter högre bandbredder. Högre bandbredder innebär dock högre länkförluster som gör det oumbärligt att utnyttja rikt- och styrbara antenner. Ursprungligen har fasstyrda antenner använts för denna typ av tillämpning. Ändå finns en begränsning av den maximala skanningsvinkeln på grund av deras effektiva yta som leder till en minskning av förstärkning som är beroende på avsökningsvinkelns cosinus. För att kunna förbättra skanningsintervallen skulle man kunna lägga till en dielektrisk radom ovanpå arrayen. Höga beräkningstider krävs dock att simulera strukturen med helvågssimuleringar. Av denna anledning fokuserar den första delen av denna uppsats att anpassa och förbättra ett internt strålspårnings verktyg för den särskilda applikationen under studie. Verktyget beräknar vägen strålarna tar ifrån arrayen till radomens öppning med hjälp av geometrisk optik, därefter kalkyleras det elektriska fältets amplitud enligt strålrörsteori och till sist fastställs antennens strålningsmönster som definieras av Kirchhoffs diffraktionsformel. Dessutom har vissa funktioner lagts till i koden för att kunna beräkna riktningen, absorptions- och reflektionsförlusterna, simulera flerskiktsradomer och ändra arrayelementens strålningsmönster. En modell i Comsol har utvecklats för att validera resultaten som producerades av strålspårning verktyget och alla dess extra funktioner. Till sist, flera optimeringar har genomförts för att öka skanningsområdet som kan bibehålla en maximal höjd och säkerställa efterlevnaden med regleringsmaskerna för satellitkommunikationerna. Optimeringarna har utförts både manuellt och med hjälp av en partikelsvärmoptimerare. / En els últims anys hi ha hagut un increment majúscul en l’ús de les comunicacions per satèl·lit. Això s’ha traduït en la necessitat de més capacitat, la qual pot ser coberta si ens movem cap a bandes de freqüència més altes, buscant un major ample de banda. Tot i això, l’ús de freqüències més elevades comporta unes majors pèrdues en l’enllaç, les quals fan essencial l’ús d’antenes altament directives i amb capacitat d’escaneig. Tradicionalment, els arranjaments d’antenes de fase gradual han estat utilitzats per aquest tipus d’aplicacions. Tanmateix, tenen una limitació del màxim angle d’escaneig a causa de la seva obertura efectiva, la qual causa una reducció del guany seguint el cosinus de l’angle d’escaneig. Una manera de millorar el rang d’escaneig és afegint un radom dielèctric al damunt de l’arranjament d’antenes. No obstant això, es necessita un alt temps de computació per simular aquest tipus d’estructures amb simuladors d’ona completa. Per aquesta raó, la primera part d’aquest treball està enfocada a adaptar i perfeccionar una eina de traçat de rajos pròpia per l’aplicació en estudi. L’eina calcula el camí que els rajos segueixen des de l’arranjament d’antenes fins a l’obertura del radom utilitzant òptica geomètrica, a continuació computa l’amplitud del camp elèctric a l’obertura mitjançant la teoria del tub de rajos i finalment determina el patró de radiació de l’antena utilitzant la fórmula de difracció de Kirchhoff. Addicionalment, algunes funcions han estat afegides al codi per tal de poder computar la directivitat, calcular les pèrdues d’absorció i reflexió, simular radoms multicapa i canviar els patrons de radiació dels elements de l’arranjament. Un model en Comsol ha estat desenvolupat per tal de validar els resultats obtinguts emprant l’eina de traçat de rajos i totes les seves funcions. Finalment, vàries optimitzacions han estat dutes a terme per tal d’incrementar el rang d’escaneig mantenint una altura màxima i assegurant que es compleix amb les màscares reguladores de comunicacions per satèl·lit. Les optimitzacions han estat realitzades utilitzant tant un optimitzador per eixam de partícules com manualment.