Wideband, wide-scan antenna arrays are a promising candidate for the future wireless networks and as well as an essential part of experimental radio astrophysics. Understanding the underline physics of the element performance in the array environment is paramount to develop and improve the performance of array systems. The focus of this thesis is to develop novel wideband antenna array technologies and develop new theoretical insights of the fundamental limits of antenna arrays. The developed methodologies have also been extended to include a radio astrophysics application for the global 21cm experiment. Investigating the fundamental antenna array limits and extracting general performance measures can provide a priori estimates for any application of arrays. In this thesis, a general measure for antenna arrays, the array figure of merit is proposed. This measure couples bandwidth, height from the ground plane and reflection coefficient in a bounded quantity. An extension of the array figure of merit that is able to provide matching, bandwidth and directivity/gain limits is also introduced. The soft Vivaldi array is introduced as a novel wideband, wide-scan angle array technology. Periodic structure loading has been utilized to improve the array's performance and mold the electromagnetic wave behavior to our benefit. The soft condition has been utilized in the same manner as the conventional soft-horn antenna at the Vivaldi element. An integrated matching layer in the form of periodic strip loading is introduced. A single polarized soft Vivaldi array prototype has been developed fabricated and measured. The developed finite array has been loaded with a soft condition in the periphery to mitigate edge effects. The results indicated improved cross-polarization and side-lobe levels. A new class of wideband antenna arrays, the Strongly Coupled Asymmetric Dipole Array (SCADA) was also proposed in this thesis. Exploiting asymmetry in the array element introduces an additional degree of freedom that improves bandwidth and scanning performance. A novel methodology for terminating finite arrays is also proposed. The theory and an experimental antenna array is presented with good agreement between measured and simulated results. An effort to integrate a vertical wide angle matching layer was also addressed and a prototype array with this concept is presented. In the last part of this thesis, a methodology for the detection of the global cosmological 21cm signal from the Epoch of Reionization (EoR) is developed. The main sources of errors in this experiment, the foregrounds and the antenna chromaticity are evaluated. A new algorithmic methodology for extracting the global EoR signal is proposed. The method is based on piecewise polynomial fitting and has successfully been applied and evaluated. An antenna array that is based on the methodologies described in this thesis has been developed and evaluated with the proposed algorithm. / Bredbandiga gruppantenner med stor utstyrningsvinkel är en av de lovande kandidaterna för nästa generations trådlösa kommunikationsnätverk samt en väsentlig del av experimentell radioastrofysik. Att förstå de bakomliggande fysikaliska principerna hos gruppantennens element är avgörande för att kunna utveckla och förbättra prestandan hos ett gruppantennsystem. Denna avhandling är fokuserad på att utveckla nya bredbandstekniker samt nya teoretiska insikter om de grundläggande gränserna för gruppantenner. De här utvecklade metoderna har förutom kommunikationstillämpningar också tillämpats på en radioastrofysik tillämpning i det globala 21cm experimentet. Att undersöka de fundamentala gränserna för gruppantenner och att utröna allmängiltiga mått på deras prestandaegenskaper kan möjliggöra a priori uppskattningar om gruppantenns tillämpbarhet för dess planerade användning. I den här avhandlingen föreslås ett allmänt kvalitetsmått på gruppantenner: gruppantennkvaliten. Detta mått kopplar samman främst bandbredd, reflektionskoefficienten med antennens tjocklek över ett jordplanet. En utvidgning av begreppet gruppantennkvaliten, presenters också i avhandlingen det kopplar samman bandbredd, matchning med antennens direktivitet/förstärkningsfaktor. En Vivaldi-gruppantenn med mjuka ytor introduceras här som en ny sorts bredbandig gruppantenn med stor utstyrningsvinkel. I antennen har en periodisk belastning inkluderats för att förbättra dess egenskaper, och för att forma antennens elektromagnetiska utstrålning till vår fördel. Den mjuka ytan på elementet har används på ett liknande sätt som det välkända korrigerade Vivaldihornets design, och har integrerats direkt i elementets design. Den här utvecklade ändliga gruppantennen har också en mjuk yta på dess yttre delar för att minska kanteffekternas påverkan av antennprestandan. Resultaten indikerade både förbättrad korspolarisations och lägre sidlobsnivåer hos antennen. En ny klass av bredbandiga gruppantenner har utvecklas i denna avhandling, den kallas en Starkt Kopplad Asymmetrisk Dipol-gruppAntennen - SCADA. Genom att utnyttja geometrisk asymmetri i antennelementet introduceras ytterligare en frihetsgrad som möjliggör förbättrad bandbredd och utstyrning. Vidare presenteras här en ny metod för impedansterminering av ändliga gruppantenner. Både SCADA-teorin samt dess verifiering i forma av en experimentell gruppantenn presenteras här. Teori, simulering och experiment visar god överenskommelse, vilket validerar idéerna. En prototyp av ett matchande skikt som stöder stor utstyrbarhet har integrerats med gruppantennprototypen och presenteras i avhandlingen. I den sista delen av avhandling utvecklas också en metod för detektering av den globala kosmologiska 21 cm-signalen från universums rejoniseringsepok - EoR. Huvudkällorna för mätfel i detta experiment utvärderas, de är antennens kromaticiteten och förgrundsstrålningen. En ny algoritmbaserad metod för att extrahera den globala EoR-signalen föreslås. Metoden är baserad på anpassning med multipla polynom och har med framgång tillämpats och utvärderats. En gruppantenn som baseras på de metoder som beskrivs i avhandling har också föreslagits och dess prestanda har utvärderats med den föreslagna metoden. / <p>QC 20171121</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-218011 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Kolitsidas, Christos |
| Publisher | KTH, Elektroteknisk teori och konstruktion, Electromagnetic Engineering |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EE, 1653-5146 ; 2017:167 |
Page generated in 0.0176 seconds