The recent evolution of radio communications combined with innovative manufacturing
techniques, such as 3D printing, has driven antennas development and
implementation of new structures made of unusual materials. An example of this
type of evolution are the lens antennas.
Lens antennas are always associated with a source antenna (usually a microstrip
patch antenna) and allow changing the source antenna’s radiation characteristics
(varying the gain or directivity). Thus, lenses can improve the performance of
some types of communication systems, such as phased arrays, which are used for
beamforming. However, they have some limitations in coverage due to the array
elements having low directivity. The use of a lens antenna changes the radiation
diagram to obtain a wider beamwidth and is a potential solution to the problem
of phased arrays.
Throughout this dissertation, was studied the possibility of using lens antennas
to change the radiation beam and increase the beamwidth of a simple microstrip
patch antenna. For this purpose, simulations of several lens antenna structures
were performed with a patch antenna (calibrated for 7.8GHz) to determine the
array’s behavior and verify if it is possible to increase the beamwidth.
One of the requirements to produce prototypes of lens antennas with 3D printing is
knowing the electrical characteristics of the manufacturing materials (PLA, PETG,
and nylon), more precisely, their dielectric constant. For that several samples of
these materials were characterized considering different manufacturing conditions.
The last step is the fabrication, by 3D printing, of prototype antennas using different
materials and fabrication conditions. Nine lenses (six with a single material
structure and three with several different materials) and seven patch antennas (five
linearly polarized and two circularly polarized) were fabricated.
Finally, was made a comparative study of the results obtained by simulation with
the measurements performed in an anechoic chamber for both the patch antennas
and the lens antenna array.A recente evolução das radiocomunicações combinada com as inovadoras técnicas
de fabrico, como a impressão 3D, impulsionaram o desenvolvimento e implementação
de antenas com novas estruturas fabricadas com materiais incomuns. Um
exemplo deste tipo de evolução são as antenas lente.
As antenas lente estão sempre associadas a uma antena fonte (usualmente uma
antena microstrip patch) e permitem alterar as caraterísticas de radiação (variar o
ganho ou a directividade) da antena fonte. Assim, as lentes podem ser usadas para
melhorar o desempenho de alguns tipos de sistema radiantes, como por exemplo
o caso dos phased arrays, utilizados para fazer beamforming. No entanto, estes
apresentam algumas limitações de cobertura, devido aos seus elementos do array
terem ganho diretivo variável na zona de interesse. A utilização duma antena lente
faz com que ocorra a alteração do diagrama de radiação de modo a obter uma
maior largura de feixe podendo ser uma solução para referida limitação.
Ao longo desta dissertação foi estudada a possibilidade de se utilizarem lentes para
aumentar a largura de feixe de uma simples antena microstrip patch. Para isso,
foram estudadas e realizadas simulações de várias estruturas de antenas lente com
uma antena patch (calibrada para os 7.8GHz) com o intuito de determinar qual o
comportamento do conjunto e verificar a possibilidade de tornar mais uniforme o
diagrama de radiação no semi-espaço pretendido .
A produção de protótipos de antenas lente com a impressão 3D requer o conhecimento
das características elétricas dos materiais de fabrico (PLA, PETG e nylon),
mais precisamente sua constate dielétrica. Para tal, foi feita uma caracterização de
várias amostras desses materiais tendo em conta diferentes condições de fabrico.
A última etapa foi a fabricação, por impressão 3D, de protótipos de antenas e
lentes, utilizando diferentes materiais e condições de fabrico. No total foram fabricadas
nove lentes (seis com uma estrutura de um único material e três com vários
materiais distintos) e sete antenas patch (cinco de polarização linear e duas de
polarização circular).
Finalmente foi feito um estudo comparativo dos resultados obtidos por simulação
com as medidas realizadas em câmara anecoica tanto para as antenas patch, como
para o conjunto antena lente.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe