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.