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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-335802 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Jonasson, Lukas |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS), Stockholm : KTH Royal Institute of Technology |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2023:604 |
Page generated in 0.0027 seconds