Almost hemispherical scanning capabilities are required for modern wireless communication systems to produce broad coverage without performance degradation. Phased array antennas are commonly used as a fully-electronic beam-steering solution for its rapidity in beam switching. However, the effective aperture for high scanning angles is reduced, causing a reduction of the gain with the cosine of the elevation angle. Quasi-optical systems are used to achieve high directivity for wide scanning in combination with phased arrays. An interesting solution is the dielectric dome antenna, where rotationally symmetric dielectric lenses are used to enhance the scanning performance of an antenna with limited scanning capabilities. Using a full-wave simulator to evaluate lenses combined with arrays is very time-consuming, making the lens design inefficient and laborious. In this work is presented a Ray-Tracing tool used to simulate in a fast and efficient way the far-field of two-dimensional dielectric lenses. While a full-wave simulation of a three-dimensional lens could take approximately 3 hours, the Ray-Tracing evaluation takes less than 3 minutes, making possible the full optimization and design of these lenses. A numerical calculation of the ray path is used to evaluate the phase of the electric field at the lens aperture, while the amplitude is evaluated using ray-tube power theory. The far-field radiation pattern of the lens antenna is calculated using the Kirchhoff-Fresnel diffraction formula. In this work, it is also presented a full study of the reflection and absorption losses, which is something that was not previously done in the state of the art. Matching layers are designed and evaluated to reduce the reflection losses at each interface. To demonstrate the effectiveness of this approach, we compare the radiation patterns produced by a two-dimensional dielectric dome antenna with those computed using COMSOL, showing a significant reduction in time and computational resources. / För moderna trådlösa kommunikationssystem krävs nästan halvklotformiga skanningsmöjligheter för att åstadkomma bred täckning utan försämrad prestanda. Fasstyrda antenner används vanligen som en helt elektronisk lösning för strålstyrning på grund av dess snabbhet vid byte av strålar. Den effektiva aperturen för höga skanningsvinklar minskar dock, vilket leder till att förstärkningen minskar med cosinus av elevationsvinkeln. Kvasiooptiska system används för att uppnå hög riktningsförmåga för bred avsökning i kombination med fasade matriser. En intressant lösning är den dielektriska kupolantennen, där rotationssymmetriska dielektriska linser används för att förbättra skanningsegenskaperna hos en antenn med begränsad skanningskapacitet. Att använda en fullvågssimulator för att utvärdera linser i kombination med matriser är mycket tidskrävande, vilket gör linsdesignen ineffektiv och arbetskrävande. I detta arbete presenteras ett Ray-Tracing-verktyg som används för att på ett snabbt och effektivt sätt simulera fjärrfältet för tvådimensionella dielektriska linser. Medan en fullvågssimulering av en tredimensionell lins kan ta ungefär 3 timmar tar strålföljningssimuleringen mindre än 3 minuter, vilket gör det möjligt att optimera och konstruera dessa linser fullt ut. En numerisk beräkning av strålbanan används för att utvärdera fasen hos det elektriska fältet vid linsaperturen, medan amplituden utvärderas med hjälp av strålrörsteori. Linsantennens strålningsmönster i fjärrfältet beräknas med hjälp av Kirchhoff-Fresnel-diffraktionsformeln. I detta arbete presenteras också en fullständig studie av reflektions- och absorptionsförlusterna, vilket är något som inte tidigare har gjorts inom detta forskningsområde. Anpassningsskikt utformas och utvärderas för att minska reflektionsförlusterna vid varje gränssnitt. För att visa hur effektivt detta tillvägagångssätt är, jämför vi strålningsdiagrammen som produceras av en dielektrisk kupolantenn med dem som beräknats med COMSOL, vilket visar på en betydande minskning av beräkningsresurserna.

With the newly deployed fifth-generation telecommunications system and upcoming sixth-generation, high-gain antennas with hemispherical scanning capabilities are of high interest. Phased array antennas allow for fast scanning capabilities with electronic beam-steering. In an effort to reduce the number of antenna elements while maintaining the antenna aperture size, the element spacing is increased. However sparse arrays introduce grating lobes in the radiation pattern. An interesting solution to reduce the grating lobes is to integrate a lens with the array. Further, simulating the radiation pattern with a ray-tracing algorithm and the geometrical optics approximation makes for fast simulation times. The presented ray-tracing algorithm in this work speeds up the simulation by 43 times compared to a two-dimensional full-wave simulation. To model the full radiation pattern the rays are shot out from a single point across a set angular space. To emulate an element pattern the rays are excited with a set amplitude distribution. Here, two different methods of obtaining the amplitude are presented and compared to a two-dimensional full-wave COMSOL model. The lens is made from a dielectric, constructed from the conics equation with applied conformal matching layers. The ray path and phase distribution are calculated with Snell's law, the amplitude distribution at the lens aperture is calculated through the ray tube theory, and the radiation pattern with the Kirchhoff Diffraction formula. To optimize the lens shape and an array offset, the ray-tracing algorithm is coupled with a Particle Swarm Optimization algorithm. Two different arrays are used in this thesis, the first constructed from open-ended waveguides and the second using sub-arrays of the same waveguides. The optimized lens for the first array shows that a grating lobe suppression between 1.1-2.0 dB is achievable with a main lobe reduction between 0.2-0.3 dB for scanning to -20 degrees. For the array with sub-arrays, the main lobe suppression is between 0.3-0.9 dB, with a grating lobe suppression of up to 4.0 dB. / Med det nyligen lanserade femte generationens telekommunikationssystem och den kommande sjätte generationen är högförstärkningsantenner med halvsfäriska skanningsmöjligheter av stort intresse. Fasade array-antenner möjliggör snabb skanningskapacitet med elektronisk strålstyrning. I ett försök att minska antalet antennelement samtidigt som antennöppningens storlek bibehålls, ökas elementavståndet. Men glesa arrayer introducerar gallerlober i strålningsmönstret. En intressant lösning för att minska gallerloberna är att integrera en lins med arrayen. Vidare, simulering av strålningsmönstret med en strålspårningsalgoritm och den geometriska optiska approximationen ger snabba simuleringstider. Den presenterade strålspårningsalgoritmen i detta arbete snabbar upp simuleringen med 43 gånger jämfört med en tvådimensionell helvågssimulering. För att modellera hela strålningsmönstret skjuts strålarna ut från en enda punkt över ett fast vinkelutrymme. För att efterlikna ett elementmönster exciteras strålarna med en inställd amplitudfördelning. Här presenteras två olika metoder för att erhålla amplituden och jämförs med en tvådimensionell fullvågs-COMSOL-modell. Linsen är gjord av ett dielektrika konstruerat från koniska ekvationen med applicerade konforma matchande lager. Strålvägen och fasfördelningen beräknas med Snell-lagen, amplitudfördelningen vid linsöppningen beräknas genom strålrörsteorin och strålningsmönstret med Kirchhoff-diffraktionsformeln. För att optimera linsformen och en arrayförskjutning är strålspårningsalgoritmen kopplad med en Particle Swarm algoritm. Två olika arrayer används i denna avhandling, den första konstruerad av vågledare med öppen ände och den andra med hjälp av sub-arrayer av samma vågledare. Den optimerade linsen för den första arrayen visar att en gallerlobsundertryckning mellan 1,1-2,0 dB kan uppnås med en huvudlobsreduktion mellan 0,2-0,3 dB för skanning till -20 grader. För arrayen med sub-arrayer är undertryckningen av huvudloben mellan 0,3-0,9 dB, med en gallerlobundertryckning på upp till 4,0 dB.