Analysis and synthesis of antenna arrays with respect to mutual coupling and beamforming

ato práce se zabývá analýzou a syntézou (zejména liniových) anténních řad umístěných ve volném prostoru nebo nad nekonečnou zemní rovinou. K charakterizaci problému byla odvozena teorie a algoritmus implementován v programu MATLAB. Pro liniové anténní řady se vyvinutá metoda se vyznačuje velkou rychlostí z důvodu použití vhodné aproximace proudového obložení na jednotlivých prvcích řady. Pro analýzu řad jsou využity modální techniky, tj. řada je charakterizována maticemi o rozměru NxN (kde N je počet prvků v řadě) popisujícími její impedační a vyzařovací vlastnosti. Tyto matice jsou následně podrobeny modálním rozkladům, jejichž výsledek poskytuje optimální buzení elementů pro dosažení daných vlastností – rezonance řady, činitel jakosti, směrovost. Kromě semi-analytických metod aplikovaných na liniové řady byl rovněž vyvinut algoritmus využívající simulátor elektromagnetického pole CST MWS, jež je pomocí maker propojen s programem MATLAB. Takto je možné syntetizovat vyzařovací diagram řady s libovolným typem elementů, tj. nikoli jen s dipóly. Výše zmíněné metody jsou aplikovány a ověřeny na několika příkladech: Optimalizace Yagi-Uda antény s různou délkou elementů, Optimalizace šířky pásma a směrovosti řady nad zemní rovinou, Řízení směrovosti kruhové řady, Syntéza supersměrového buzení řady, Syntéza daného vyzařovacího diagramu řady včetně zahrnutí vzájemných vazeb. V neposlední řadě jsou tyto příklady a techniky inspirací pro návrh a výrobu anténní řady na frekvenci 26 GHz. Tato řada byla vyrobena, změřena a bude implementována spolu s optickým systémem, který bude tvořit napájecí a přenosovou část pro systém 5G.This work deals with the analysis and synthesis of (especially linear) antenna arrays located in free space or above the infinite ground plane. The theory and algorithm implemented in MATLAB were derived to characterize the problem. For linear antenna array the developed method is characterized by a high computational speed due to the use of suitable current distribution approximation on individual elements of the array. Modal techniques are used to analyze the array, i.e., the array is characterized by matrices of N x N dimension (where N is the number of elements) describing its impedance and radiation properties. These matrices are then subject to modal decomposition, the result which provides optimal excitation of the elements to achieve given properties - resonance, quality factor, directivity. In addition to semi-analytical methods applied to linear arrays, an algorithm using electromagnetic field simulator CST MWS, which is connected to MATLAB by macros, was also developed. In this way, it is possible to synthesize a radiation pattern of an array with any type of element, i.e., not just dipoles. The above methods are tested and validated on several examples: Optimization of Yagi-Uda antenna with different element lengths, Optimization of bandwidth and directivity of an array above ground plane, Directivity control of circular array, Synthesis of super-directivity excitation of an array, Synthesis of a given radiation pattern of an array, including the mutual coupling. Last but not least, these examples and techniques are an inspiration for the design and manufacture of the 26 GHz antenna array. This array has been manufactured, measured and will be implemented together with an optical system that will form the power and transmission part to the 5G system