Numerical synthesis of filtering antennas

Dizertační práce je zaměřena na kompletní metodiku návrhu tří a čtyř prvkových flíčkových anténních řad, které neobsahují žádné filtrující části a přesto se chovají jako filtrující antény (filtény). Návrhová metodika kombinuje přístup pro návrh filtrů s přístupem pro anténní řady a zahrnuje tvarování frekvenčních odezev činitele odrazu a normovaného realizovaného zisku. Směr hlavního laloku přes pracovní pásmo je kontrolován také. S cílem kontrolovat tvary uvedených charakteristik, nové gi koeficienty jsou představeny pro návrh filtrujících anténních řad. Návrhová metodika byla ověřena na tří a čtyř prvkové filtrující anténní řadě přes frekvenční pásmo od 4,8 GHz do 6,8 GHz, pro šířku pásma celé struktury od 7 % do 14 % a pro požadovanou úroveň činitele odrazu od –10 dB do –20 dB. Celá metodika byla podpořena výrobou a měřením šesti testovacích vzorků filtrujících anténních řad s rozdílnými konfiguracemi. Ve všech případech se simulované a naměřené výsledky dobře shodují.The dissertation thesis is focused on a complete design methodology of a three and four-element patch antenna arrays which are without any filtering parts and yet behave like a filtering antenna (filtenna). This design combines filter and antenna approaches and includes shaping the frequency response of the reflection coefficient and the modelling of the frequency response of the normalized realized gain. The frequency response of the main lobe direction is controlled as well. In order to control the shape of these responses, a set of gi coefficients for designing the filtering antenna array are obtained. The design methodology was verified on the three-element and four-element filtennas over the frequency range from 4.8 GHz to 6.8 GHz; for fractional bandwidth from 7 % to 14 % and for level of the reflection coefficient from –10 dB to –20 dB. The whole design methodology was supported by manufacturing and measuring six test cases of the filtering antenna array with different configurations. Simulated and measured results show a good agreement in all cases.

Comparison of Weighted Sum Fitness Functions for PSO Optimization of Wideband Medium-gain Antennas

In recent years PSO (Particle Swarm Optimization) has been successfully applied in antenna design. It is well-known that the cost function has to be carefully chosen in accordance with the requirements in order to reach an optimal result. In this paper, two different wideband medium-gain arrays are chosen as benchmark structures to test the performance of four PSO fitness functions that can be considered in such a design. The first one is a planar 3 element, the second one a linear 4 element antenna. A MoM (Method of Moments) solver is used in the design. The results clearly show that the fitness functions achieve a similar global best candidate structure. The fitness function based on realized gain however converges slightly faster than the others

Reconfigurable Reflectarrays and Array Lenses for Dynamic Antenna Beam Control: A Review

Advances in reflectarrays and array lenses with electronic beam-forming capabilities are enabling a host of new possibilities for these high-performance, low-cost antenna architectures. This paper reviews enabling technologies and topologies of reconfigurable reflectarray and array lens designs, and surveys a range of experimental implementations and achievements that have been made in this area in recent years. The paper describes the fundamental design approaches employed in realizing reconfigurable designs, and explores advanced capabilities of these nascent architectures, such as multi-band operation, polarization manipulation, frequency agility, and amplification. Finally, the paper concludes by discussing future challenges and possibilities for these antennas.Comment: 16 pages, 12 figure

Microstrip Patch Antennas Fed by Substrate Integrated Waveguide

Dizertační práce je zaměřena na výzkum mikropáskových flíčkových antén a anténních řad napájených vlnovodem integrovaným do substrátu (SIW). Využitím vlnovodu integrovaného do substrátu pro napájení mikropáskové flíčkové antény dochází ke kombinaci výhodných vlastností obou struktur. Výsledkem je kompaktní anténní struktura, jejíž napájecí vedení neprodukuje parazitní záření a neovlivňuje tak vyzařovací charakteristiku antény. Práci lze z věcného hlediska rozdělit do dvou částí. První část práce (kapitola 2) je zaměřena na návrh flíčkových antén a jejich navázání na vlnovod integrovaný do substrátu. První dvě navržené flíčkové antény využívají vlnovod integrovaný do substrátu a štěrbinu nebo koaxiální sondu pro buzení lineárně polarizované vlny. Napájení koaxiální sondou je dále použito pro buzení kruhově polarizované flíčkové antény. Za účelem získání širšího pásma osového poměru je navrženo napájení flíčkové antény ve dvou bodech. Funkčnost všech anténních struktur je popsána pomocí parametrických simulací a ověřena realizací a měřením vyrobených prototypů antén. Prezentované napájecí metody představují nový způsob napájení pro mikropáskové antény využívající technologii SIW. Ve druhé části práce (kapitola 3) je pojednáno o implementaci štěrbinou napájené mikropáskové anténní struktury do malých anténních polí o velikosti 2x2 a 1x4. V případě lineární řady je uvažováno amplitudové rozložení pro optimální potlačení postranních laloků. Obě navržené anténní řady jsou ověřeny měřením a v porovnání s podobnými anténními řadami dostupnými v literatuře dosahují širšího pracovního pásma kmitočtů a vyššího zisku.The thesis deals with the research of microstrip patch antennas and antenna arrays fed by a substrate integrated waveguide (SIW). Exploiting an SIW structure for microstrip patch antenna feeding combines the benefits of both structures. The result is a compact antenna structure retaining advantageous properties of microstrip patch antennas and having a radiation characteristic non-effected by spurious radiation which is usually produced by a conventional feeding line. The thesis consists of two factual parts. The first one (Chapter 2) deals with the design of microstrip patch antennas and exploiting a substrate integrated waveguide for their feeding. The first two microstrip patch antennas exploit an SIW and a slot or a coaxial probe in order to excite a linearly-polarized wave. SIW-based probe feeding is further utilized for exciting a single- and dual-fed circularly-polarized microstrip patch. The functionality of the proposed antenna structures is described using parametric analyses and verified by measuring of fabricated prototypes. The proposed feeding methods represent a novel feeding approach for microstrip patch antennas exploiting SIW technology. The second part of the thesis (Chapter 3) deals with implementing the linearly-polarized aperture-coupled microstrip patch antenna structure fed by SIW into two small antenna arrays consisting of 2x2 and 1x4 radiators. An amplitude distribution is considered in the case of the linear antenna array for optimum suppression of side lobes. Both proposed antenna arrays are verified by measurements. Compared to similar antenna arrays available in the literature, they reach a wider operating frequency band and a higher gain.

Multi-Objective Synthesis of Filtering Dipole Array Based on Tuning-Space Mapping

In the paper, we apply tuning-space mapping to multi-objective synthesis of a filtering antenna. The antenna is going to be implemented as a planar dipole array with serial feeding. Thanks to the multi-objective approach, we can deal with conflicting requirements on gain, impedance matching, side-lobe level, and main-lobe direction. MOSOMA algorithm is applied to compute Pareto front of optimal solutions by changing lengths of dipoles and parameters of transmission lines connecting them into a serial array. Exploitation of tuning space mapping significantly reduces CPU-time demands of the multi-objective synthesis: a coarse optimization evaluates objectives using a wire model of the filtering array (4NEC2, method of moments), and a fine optimization exploits a realistic planar model of the array (CST Microwave Studio, finite integration technique). The synthesized filtering antenna was manufactured, and its parameters were measured to be compared with objectives. The number of dipoles in the array is shown to influence the match of measured parameters and objectives

A Quasi-Lumped Element Series Array Resonator Antenna

This paper presents a 6-element series array quasi-lumped element resonator antenna. The proposed antenna employs an interdigital capacitor in parallel with a straight strip conductor whose centre finger is shorted across the capacitor. An array configuration is imperative as the gain of a single quasi-lumped element arrangement was only moderate and specifically put at about 9.4 dBi which may not be adequate for long distance communications. Relevant Equations for radiation pattern of the quasi-lumped element resonator (QLER) were derived and presented. The proposed antenna array exhibits a gain enhancement up to about 29.47% with a noticed size reduction of 80 × 30 sq. mm. Compared to standard long wire antenna and other approaches of capacitive loaded long wire antennas, it was proved that the proposed antenna has a relatively better performance yet with significant size reduction. Consequently, it is an ideal candidate for MMIC designs and wireless communication applications