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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-325849 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Pubill, Maria |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| 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 ; 2023:101 |
Page generated in 0.0025 seconds