A circular polarised phased array antenna and a frequency selective hybrid radome are designed and evaluated. The antenna system is well suited as a part of a communication link between platforms with a 600 MHz bandwidth and a centre frequency of 5 GHz. A prototype consisting of 8 x 8 patch elements has been designed, manufactured and characterised. The final configuration will be a compact, relatively inexpensive system with single-fed antenna elements. An array antenna with circular polarisation is suitable when the receiver must maintain a strong signal regardless of the relative antenna orientation. The radome protects the antenna and can also reduce both the radar cross section and interference from out-of-band signals. The main focus is to make sure that the phased array antenna and the radome work as one unit and maximise the field of view in which the polarisation is circular. The method to maximise the field of view is to reduce the coupling between antenna elements by using shorting via fences surrounding each element. Following this method results in a total array gain of 18 dBi, 25° half-power beamwidth and a ±35° maximum scan angle with maintained circular polarisation. Prototype measurements agree well with the simulated results. / En cirkulärpolariserad fasstyrd gruppantenn samt en frekvensselektiv hybrid-radom har designats och utvärderats. Antennsystemet lämpar sig väl som en kommunikationslänk mellan plattformar med en 600 MHz bandbredd och centerfrekvens 5 GHz. En prototyp besåtende av 8 × 8 patchelement har designats, tillverkats och karaktäriserats. Den slutgiltiga konfigurationen resulterade i ett kompakt och relativt billigt system med single-matade antennelement. En gruppantenn med cirkulär polarisation är lämplig när mottagaren måste bibehålla en stark signal oavsett antennens relativa orientering. Radomen skyddar antennen från väder och vind och kan även minska både radarmålsarean och störningar från utombandiga signaler. Huvudfokus är att se till att den fasstyrda gruppantennen och radomen fungerar som en enhet och maximerar scan-området i vilket polarisationen är cirkulär. Metoden för att maximera detta område är att minska kopplingen mellan antennelementen genom att använda ett kortslutande viastaket som omsluter varje element. Metoden resulterar i totalt 18 dBi array gain, 25° half-power beamwidth och en maximal utstyrningsvinkel på ±35° med bibehållen cirkulär polarisation. Prototypens mätresultat stämmer väl överens med simulationsresultaten.

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.

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.