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.

This dissertation presents the investigation of biologically inspired direction finding (DF) and localization systems, 3D printing solution for RF components and systems, and fundamental aspects of antennas regarding bandwidth and power efficiency. Biologically inspired direction finding and localization systems are explored first. Inspired by the human binaural auditory system, an improved direction of arrival (DoA) estimation technique using two antennas with a lossy scatterer in between them to achieve additional magnitude cues is proposed. By exploiting the incident-angle- dependent magnitude and phase differences between the two antennas with specially designed scatterer, the DoA of an incident signal from two-dimensional (2-D) / three- dimensional (3-D) space can be estimated. Besides, compact DF systems with enhanced directional sensitivity using a scatterer of high permittivity in between adjacent closely spaced electrically-small antennas are examined. Inspired by the human monaural auditory system, a novel single-antenna DF technique is also proposed by exploiting the incident-angle-dependent spectra for a broadband RF signal only. In addition, a wideband superior DF system utilizing Luneburg lens and uniformly placed detectors on the equator of the lens is evaluated. The DoA is estimated using the amplitude distribution of the received signals at the detectors. Moreover, A portable inventory localization system utilizing hybrid RF (for direction, using previously introduced DF techniques) and ultrasound (for distance) signals is proposed and experimentally demonstrated. Next, a multilayer phased array system is designed and individual parts are printed to demonstrate the applicability of hybrid thermal wire-mesh embedding (for conductors) and thermoplastic extrusion (for dielectrics) techniques for additively manufacturing RF17integrated systems. Finally, fundamental aspects of antennas in terms of bandwidth limit for reactive matching and power efficiency for non-Foster matching are analyzed.

ITC/USA 2012 Conference Proceedings / The Forty-Eighth Annual International Telemetering Conference and Technical Exhibition / October 22-25, 2012 / Town and Country Resort & Convention Center, San Diego, California / A broadband passive direction finding system utilizing Luneburg lens has been investigated. With the simulated power level distribution at the detectors mounted on a Luneburg lens, both Cramér-Rao bound (CRB) and the root mean square error (RMS) based on the Correlation Algorithm (CA) for the direction of arrival (DoA) estimation have been derived and calculated. Guidelines on how to design the Luneburg lens detecting system have been studied. Finally, as a proof-of-concept demonstration, the DoA performance of a Luneburg lens fabricated using the polymer jetting technology with five detectors 10° equally spaced to receive the azimuth signal from -20° to 20° is demonstrated.

With the roll out of new technologies and the worldbecoming more connected, there is a rising demand for higherbandwidth and new frequency bands. To meet the demand,higher frequencies are used in new communication systems.Higher frequencies come with the need for new antenna designsand one promising type of antenna is the lens antenna. In thispaper, a modulated geodesic Luneburg lens with a novel feedingmethod is proposed for use between 8-10 GHz. Furthermore, themanufacturing of the lens explores the possibility of 3D printingas a method of producing cheap antennas.The paper verifies the viability of using a patch antenna andhorn as a feeding method for a parallel-plate waveguide lens.First the lens is modeled and simulated in CST Microwave Studioand is then 3D-printed in PLA plastic and taped with coppertape. The antenna achieves -5 dB S11-parameter between 8-10GHz. The antenna also achieves 60 scanning in the azimuthplane. The antenna achieves a HPBW of 15. / Med utvecklingen av nya tekniker och envärld som blir allt mer digital är efterfrågan på större bandbreddoch nya frekvensband hög. För att möta efterfrågananvänds högre frekvenser i nya kommunikationssystem. Medanvändningen av högre frekvenser behövs nya antenndesigneroch en lovande typ av antenn är linsantennen. I den härartikeln föreslås en modulerad geodesic Luneburg lins med enny typ av matningsmetod för användning mellan 8-10 GHz. Förtillverkningen av linsen utforskas 3D-printning som en billig ochenkel metod.Artikeln verifierar användningen av en patch-antenn och etthorn som matningsmetod för en lins av parallella metallplattor.Först simuleras linsen i CST Microwave Studio och 3Dprintassedan i PLA-plast och tejpas med koppartejp. Antennenåstakommer -5 dB i S11-parameter mellan 8-10 GHz. Antennenhar en skanning av 60 i azimut-planet och har en HPBW av15. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2021, KTH, Stockholm

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

In this project, a cylindrical Luneburg lens isdesigned operating at optical frequencies. A Luneburg lens isa gradient index lens that transforms a point source into aplane wave or vice versa. The lens is rotational symmetric whichallows wide-angle beam scan. In this work, the gradient indexis discretized in layers. The refractive index of each layer isrealized with a transparent liquid. Ray tracing is used to designand evaluate the lens performance. We have simulated Luneburglenses with 4 - 10 layers. Increasing the number of layersimproves the performance. However, difficulties are present inthe manufacturing part of the lens considering that liquids withdesired refractive index cannot be mixed. / I detta projekt designas en cylindrisk Luneburg-lins som fungerar vid optiska frekvenser. En Luneburg-lins är en gradientindexlins som omvandlar en punktkälla till en plan våg eller vice versa. Linsen är rotationssymmetrisk vilket möjliggör vidvinkelstrålescanning. I detta arbete diskretiseras gradienta indexet i lager, brytningsindex för varje lager realiseras med en transparent vätska. Raytracing används för att designa och utvärdera linsprestandan. Vi har simulerat Luneburg-linser med 4 - 10 lager. Genom att öka antalet lager förbättras prestandan. Svårigheter förekommer i linsens tillverkningsprocess med tanke på att vätskor med önskat brytningsindex inte kan blandas. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2020, KTH, Stockholm

Avec la multiplication des transmissions sans fil et l'augmentation de la taille des données à transférer, il est devenu primordial d’augmenter le débit et donc de monter en fréquence. C'est pour cela que la bande des 60 GHz (57-66 GHz) a été allouée mondialement. A cause de la forte atténuation et de la coupure éventuelle du lien émission/réception du fait de la présence humaine, les antennes à 60 GHz doivent être très souvent reconfigurables. C’est dans cette optique que Canon Research Center France et l’IETR se sont associés pour mener à bien ce travail de thèse. Un nouveau procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice a été développé. Le fait de presser un échantillon de matériau composite contenant de l’air permet d’augmenter sa masse volumique et donc sa constante diélectrique. Cette dernière est donc contrôlable par simple pression à une température optimisée. Grâce à ce procédé, divers antennes et composants à gradient d’indice ont été réalisés. L’étude s’est principalement focalisée sur la lentille de Luneburg, qui présente une loi d’indice radiale et qui possède une infinité de points focaux autour de la lentille. Cette lentille a été réalisée avec une variation d’indice progressive et est alimentée tout d’abord par un guide d’onde ouvert. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception de sources intégrées afin de pouvoir les positionner côte à côte et permettre d’obtenir le dépointage du faisceau. Pour ce faire, l’utilisation de guides diélectriques intégrés rayonnant (RSIW) a été étudiée. Deux sources passives sont conçues avec respectivement une transition ligne/fente/guide et une transition avec plongeur dans le guide rayonnant. Par la suite, une troisième source a été conçue utilisant un substrat unique avec une transition ligne coplanaire/plongeur/guide afin de simplifier la technologie de réalisation. Enfin, deux prototypes actifs ont été conçus afin de faire une communication complète à 60 GHz. Des puces réceptrices intégrées de chez Hittite ont été utilisées afin d’alimenter les sources rayonnantes qui illuminent la lentille de Luneburg. L’objectif in fine était d’obtenir trois faisceaux dirigés dans des directions distinctes. Enfin, une première contribution à l’étude d’antennes en bande submillimétrique est effectuée avec la réalisation d’un cornet, d’une antenne à polarisation circulaire et d’une antenne de focalisation en champ proche. / With the increase of wireless communications and the required bite rate of data, it needs to increase the working frequency up to the millimeter wave range. For that purpose, the 60 GHz bandwidth (57-66GHz) has been unlicensed all over the world. Because of the loss and possible non-line-of-sight communication, the antennas should have beam scanning properties. Therefore, the Canon Research Center France and the IETR have run a study (PhD) to fulfill this project. A new technological process has been developed in order to manufacture inhomogeneous materials. By pressing a composite foam material sample, it will expel the air from the sample and so, increase its density and its relative permittivity. Using this process, several antennas and components have been manufactured. A particular focus has been done on the Luneburg lens antenna. This one has a radial index law and has infinity of focal points around the lens. This lens has been manufactured with a smooth gradient index law and first fed by an open-ended waveguide to validate the technological process. Secondly, integrated sources have been studied in order to place them side by side and to allow scanning the main beam direction. Thus, the use of Radiating Substrate Integrated Waveguide (RSIW) appears to be the solution. Two passives sources have been realized. The first one is a RSIW fed by a coupling slot from a microstrip line and the second one is a RSIW fed by a coaxial probe from a first thin SIW. A thirdly RSIW has been studied fed by a coplanar line and a coaxial probe and to simplify the manufacturing. Finally, two active antennas prototypes have been realized to perform a complete communication at 60 GHz. Complete integrated chips from the Hittite company have been used to feed the RSIW which illuminate the Luneburg lens. The objective was to implement a beam scanning antennas with three distinct beam directions. Lastly, a preliminary contribution to the sub-millimeter antennas has been performed with the manufacturing of a horn, a circular polarization antenna and a near-field focusing antenna.

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.