A new accurate design method for millimeter-wave homogeneous dielectric substrate lens antennas of arbitrary shape

Abstract

The synthesis and the optimization of three-dimensional (3-D) lens antennas, consisting of homogeneous dielectric lenses of arbitrary shape and fed by printed sources, are studied theoretically and experimentally at millimeter(mm)-wave frequencies. The aim of the synthesis procedure is to find a lens profile that transforms the radiation pattern of the primary feed into a desired amplitude shaped output pattern. This synthesis problem has been previously applied for dielectric lenses and reflectors. As far as we know, we propose, for the first time, to adapt and implement it for the design of substrate lens antennas. The inverse scattering problem is solved in two steps. In the first one, the geometry of the 3-D lens is rigorously derived using geometrical optics (GO) principles. The resulting second-order partial-differential equation is strongly nonlinear and is of the Monge-Ampère (M.A) type. The iterative algorithm implemented to solve it is described in detail. Then, a surface optimization of the lens profile combined with an analysis kernel based on physical optics (PO) is performed in order to comply with the prescribed pattern. Our algorithms are successfully validated with the design of a lens antenna radiating an asymmetric Gaussian pattern at 58.5 GHz whose half-power beamwidth equals 10 in H plane and 30 in E plane. The lens is illuminated by a microstrip 2 2 patch antenna array. Two lens prototypes have been manufactured in Teflon. Before optimization, the measured radiation patterns are in very good agreement with the predicted ones; nevertheless, the 12 dB side lobes and oscillations appearing in the main lobe evidence a strong difference between the desired and measured patterns. This discrepancy is significantly reduced using the optimized lens.

A New Method for Simulating Power Flow Density Focused by a Silicon Lens Antenna Irradiated with Linearly Polarized THz Wave

“…Analysis of complex electrically large structures using the method of moments (MoM), the finite element method (FEM), and the finite difference time domain (FDTD) method can become prohibitive due to the need for large computational resources [18]. Asymptotic methods, such as geometrical optics (GO) [17] and physical optics [19], on the other hand require much less computational resources and are effective in modelling electrically large structures but only for far-field calculations at high frequencies.…”

Síntese De Antenas Refletoras Utilizando Seções Cônicas E Superfícies Quádricas Confocais

“…Diferentemente da técnica numérica utilizada [45], [47] e [96] que emprega um esquema de diferenças finitas para representar as derivadas de L em cada ponto da grade, neste trabalho a superfície será localmente representada por uma superfície quádrica confocal permitindo que as derivadas locais sejam obtidas analiticamente. Semelhanteà técnica de síntese descrita no Capítulo 2, onde foi utilizado um conjunto de seções cônicas para representar localmente a geratriz modelada, na síntese de superfície offset será suposto que a superfície refletora modelada seja localmente composta por seções de superfícies quádricas confocais.…”

“…No entanto, introduz uma modificação no procedimento numérico de solução da equação de MongeAmpère que ocorre, essencialmente, na forma como a superfície refletora modeladaé localmente representada. Na literatura constam diversos trabalhos que recorreram a um esquema aproximado de Diferenças Finitas, onde uma célula de 9 pontos (veja a Figura 4.1)é utilizada para representar as diversas derivadas de primeira e segunda ordem [45], [47], [96]. Baseado na experiência descrita no Capítulo 2 deste trabalho, alternativamente, assume-se que a superfície refletora pode ser localmente representada por um conjunto de superfícies quádricas confocais com eixos deslocados, ou seja, cada quádrica individualmente representa apenas uma seção local do refletor.…”

Síntese De Refletores Omnidirecionais Alimentados Por Lentes Dielétricas Associadas À Corneta Coaxial

“…Diversas técnicas de síntese têm sido utilizadas para o modelamento de lentes baseadas nos princípios da Ótica Geométrica ou, alternativamente, baseadas nas aproximações da Ótica Física (PO) associadas a métodos de otimização [6], [7], [8].…”

“…Múltiplos trabalhos [6], [7], [9][10][11][12][13][14][15] A Equação (2.4) pode ser simplificada. Logo, a condição para as distâncias pode ser expressa por:…”