Geodesic Lens Antenna for sub-THz Imaging

The Millimiter Wave (mmW) frequency band, characterized by a high atmospheric attenuation and wide available bandwidth has become of big interest for high accuracy radar imaging applications. The continuous development of the Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) technology yields to the appearance of different commercial-off-the-shelf (COTS) radar transceivers at that frequency band, where the antennas are fully integrated into the chip. Lenses are being used to correct the phase front of those MMIC improving the directivity and therefore the operating range. Fully metallic geodesic lenses offer the attractive properties of common dielectric lenses without their material losses. In this master thesis, a specific water-drop geodesic lens antenna with focusing properties has been designed to enhance the radar imaging capabilities of the TRA- 120-002 transceiver working at the 120 GHz Industrial, Scientific and Medical (ISM) band. Different transitions for the antenna singular points have been studied to minimize reflections without increasing aberrations in the lens. An optimized design of a radiating flare is shown where corrugations are used to improve the antenna radiation pattern. A small feeding horn antenna with a bed-of-nails Electromagnetic Band-Gap (EBG) metasurface has been designed to maximize the energy transmission between the COTS transceiver and the lens. Finally, a glide-symmetric holey metasurface has been added to prevent leakage between the antenna plates due to manufacturing limitations. The results show that a fully metallic folded lens antenna with 5l radius can achieve directivities higher than 19.5 dB and side-lobe levels (SLL) between -10.5 dB and -9.2 dB within the 119 GHz - 125.5 GHz band while having an image point located at 30 cm from the antenna. Frekvensbandet för millimetervågor (mmW), som kännetecknas av en hög atmosfärisk dämpning och stor tillgänglig bandbredd har blivit av stort intresse för tillämpningar med hög noggrannhet för radarbild. Den kontinuerliga utvecklingen av monolitisk mikrovågsintegrerad kretsteknologi (MMIC) ger upphov till olika kommersiella lösningar (COTS) för radarsändtagare vid det frekvensband där antennerna är helt integrerade i chipet. Linser används för att korrigera fasfronten hos de MMIC som förbättrar riktningen och därmed driftsområdet. Helt metalliska geodetiska linser erbjuder de eftertraktade egenskaperna hos vanliga dielektriska linser utan att det uppstår materiella förluster. I det här examensarbetet har en specifik geodetisk linsantenn i form av en vattendroppe med fokuseringsegenskaper utformats för att förbättra radaravbildningsfunktionerna hos TRA-120-002 sändtagare som arbetar med 120 GHz ISM band. Olika övergångar för antennens enstaka punkter har studerats för att minimera reflektioner utan att samtidigt öka avvikelser i linsen. En optimerad design av ett strålningsflare visas där korrugeringar används för att förbättra antennens strålningsmönster. En liten hornantenn med en elektromagnetisk bandgapsmetayta (EBG) har utformats för att maximera energiöverföringen mellan COTS-sändtagaren och linsen. Slutligen har en glidsymmetrisk och hålformig metayta lagts till för att förhindra läckage mellan antennplattorna på grund av tillverkningsbegränsningar. Resultaten visar att en helt metallisk, vikt linsantenn med 5l radie kan uppnå en högre direktivitet än 19,5 dB med sidolobnivåer (SLL) mellan -10,5 dB och -9,2 dB. Detta kan uppnås inom bandet 119 GHz - 125,5 GHz när en bildpunkt ligger 30 cm från antennen.La banda de freqüències d’ones mil·limètriques (mmW), caracteritzada per una elevada atenuació atmosfèrica i un gran ample de banda disponible, ha esdevingut de gran interès per a aplicacions d’imatges de radar d’alta precisió. El desenvolupament continu de la tecnologia de circuits de microones monolítics integrats (MMIC) dona lloc a l’aparició de diferents transceptors de radar comercials (COTS) en aquesta banda de freqüència, on les antenes estan totalment integrades al xip per evitar pèrdues en el substrat. Les lents s’utilitzen per corregir el front de fase d’aquests xips millorant la directivitat i, per tant, el rang de funcionament. Les lents geodèsiques, que poden ser construïdes utilitzant només metalls, ofereixen les propietats atractives de les lents dielèctriques comuns sense les seves pèrdues en el material. En aquest treball de fi de màster s’ha dissenyat una antena del tipus lent geodèsica específica amb propietats d’enfocament per millorar les capacitats d’imatge de radar del transceptor TRA-120-002 que treballa a la banda ISM de 120 GHz. S’ha fet un estudi de diferents transicions per als punts singulars de l’antena, minimitzant reflexions sense augmentar les aberracions a la lent. En el treball es mostra un disseny optimitzat de l’obertura de la antena on s’utilitzen corrugacions per millorar el diagrama de radiació. S’ha dissenyat també una petita antena d’obertura amb una metasuperfície de pins periòdics per maximitzar la transmissió d’energia entre el transceptor COTS i la lent. Finalment, s’ha afegit una metasuperfície basada en forats amb simetria lliscada per evitar pèrdues entre les plaques de l’antena a causa de possibles limitacions en la seva fabricació. Els resultats mostren que es pot aconseguir una antena de tipus lent de 5l de radi totalment metàl·lica amb directivitat superior a 19,5 dB i nivells de lòbuls secundaris (SLL) entre -10,5 dB i -9,2 dB dins de la banda de 119 GHz - 125,5 GHz mentre que l’antena focalitza a 30 cm.