Millimeter Wave Imaging and Phased Array Antennas for 5G and Aerospace Applications

Projekt: Avhandling

Forskningsområden

Nyckelord

Beskrivning

Phased array antennas are cornerstones in many proposed antenna solutions concerning the next generation of both airborne radar systems and wireless communication systems (5G). Additionally, millimeter wave (mm-wave) frequencies are expected to play an integral role in 5G, and are deemed well-suited for inspecting structural components used in the aerospace industry.

This dissertation consists of a general introduction (Part I) and six scientific papers (Part II) - of which four have been published and two are under review in peer-reviewed international journals. The introduction comprises the background, the motivation and the subject-specific technical foundation on which the research presented in the included papers is based on. Fundamental theory on antenna arrays, mm-wave imaging systems and computational electromagnetics are presented together with the specific performance metrics, experimental setups, and computational acceleration algorithms that are of interest for the contained research work. The included papers can be divided into three tracks with two distinct applicational overlaps.

Papers I and II concern electrically large phased arrays for airborne systems, and the numerical techniques that alleviate time-efficient and accurate simulations of such antennas. Paper I investigates the performance of two different approaches to the macro basis function (MBF) method for interconnected subdomains under the harsh electromagnetic conditions that endfire operation implies. Paper II presents a synthesis technique for endfire operation of large scale arrays that utilizes convex optimization to improve the impedance matching performance.

Papers III and IV concern phased arrays for 5G applications. In Paper III, various array configurations of two microstrip antenna designs are evaluated with respect to two radiation performance metrics introduced specifically for evaluating the beam steering capabilities of phased array systems in the UE. A novel near field measurement technique for running electromagnetic field (EMF) exposure compliance tests of mm-wave phased arrays for future 5G devices is presented in Paper IV.

Papers V and VI deal with mm-wave imaging systems developed for non-destructive testing (NDT) of composite materials used in the aerospace industry. A transmission-based bistatic imaging system is presented in Paper V, whereas Paper VI presents a further development of this system in a reflection-based measurement scenario. Data is retrieved using a planar scan, and the image retrieval algorithms comprise a numerical technique to separate the sources that contribute to the measured data, and an L1-minimization formulation to exploit potential sparsity of the sought-after solution.

Populärvetenskaplig beskrivning

En fasstyrd gruppantenn är en konfiguration av flera antennelement som tillsammans agerar som en enkel antenn, och genom att kontrollera matningsfasen till samtliga element kan ett adaptivt strålningsmönster realiseras så att huvudloben styrs elektriskt i en önskad riktning. Elektriskt storskaliga konfigurationer av denna typ, innehållande flera hundratals eller tusentals antennelement, används i moderna luftburna radarsystem, huvudsakligen på grund av att en mycket hög riktverkan, som uppstår som en konsekvens av det mycket stora antalet antennelement, är nödvändig samtidigt som själva huvudloben måste kunna styras för att manövrera radarn i en större rumslig region.

Fasstyrda gruppantenner har också varit ett fokusområde som en potentiell antennlösning för handhållna användarenheter som ska vara funktionsdugliga i 5:e generationens trådlösa system (5G). För att tillgodose de kapacitetskrav som ställs på de framtida 5G-näten har millimetervågsfrekvensbanden framställts som en av de mest populära lösningarna, just eftersom det där finns en enorm bandbredd att exploatera. I sin tur möjliggör det att gruppantenner kan integreras i handhållna enheter, eftersom antennelementen i sig kan designas i storleksordningen av en halv våglängd eller mindre.

Millimetervågor har också användningsområden inom flygindustrin, där till exempel avbildningssystem verkande i dessa frekvensband kan utnyttjas för att genomföra oförstörande provning (OFP) av olika kompositstrukturer som ofta utgör en viktig del av flygplanskroppen. Kompositstrukturer, som är sammansättningar av olika material, används till exempel för att förverkliga specifika elektromagnetiska egenskaper, och det är därför viktigt att försäkra sig om att varje enskilt producerad enhet ej innehåller felaktigheter i form av till exempel delamineringar eller inhomogeniteter. I detta syfte kan ett millimetervågsavbildningssystem för OFP användas för att karakterisera ett provs elektromagnetiska egenskaper, utan att för den delen äventyra själva kompositionen av provet. Ett system som opererar i millimetervågsfrekvensområdet introducerar en fördel i förbättrad upplösning, samt möjliggör en mer kompakt mätuppställning vilket är fördelaktigt under en akademisk utvecklingsfas.

I denna avhandling berörs de tre ovanstående tillämpningsområdena via ett antal olika forskningsprojekt med diverse ändamål. Först berörs den så kallade ”endfire” excitationen av en fasstyrd gruppantenn beståendes av tusentals antennelement. Detta driftsätt ger upphov till en kritisk elektromagnetisk miljö, och för att erhålla simuleringsdata med hög noggrannhet på ett tidseffektivt sätt ställs specifika krav på de applicerbara numeriska beräkningsmetoderna. Vidare studeras design, funktionsduglighet och begränsningar av millimetervågsgruppantenner för 5G-applikationer. Slutligen presenteras varianter av ett avbildningssystem, utvecklat i OFP-syfte och verkande på millimetervågsfrekvenser, bestående av både experimentell mätuppställning och framtagen mjukvara.
StatusPågående
Gällande start-/slutdatum2014/11/03 → …

Participants