kth.sePublikationer
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Next Generation Wideband Antenna Arrays for Communications and Radio Astrophysics
KTH, Skolan för elektro- och systemteknik (EES), Elektroteknisk teori och konstruktion. Electromagnetic Engineering.ORCID-id: 0000-0002-1904-9395
2017 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Wideband, wide-scan antenna arrays are a promising candidate for the future wireless networks and as well as an essential part of experimental radio astrophysics. Understanding the underline physics of the element performance in the array environment is paramount to develop and improve the performance of array systems. The focus of this thesis is to develop novel wideband antenna array technologies and develop new theoretical insights of the fundamental limits of antenna arrays. The developed methodologies have also been extended to include a radio astrophysics application for the global 21cm experiment.  

Investigating the fundamental antenna array limits and extracting general performance measures can provide a priori estimates for any application of arrays. In this thesis, a general measure for antenna arrays, the array figure of merit is proposed. This measure couples bandwidth, height from the ground plane and reflection coefficient in a bounded quantity. An extension of the array figure of merit that is able to provide matching, bandwidth and directivity/gain limits is also introduced.

The soft Vivaldi array is introduced as a novel wideband, wide-scan angle array technology. Periodic structure loading has been utilized to improve the array's performance and mold the electromagnetic wave behavior to our benefit. The soft condition has been utilized in the same manner as the conventional soft-horn antenna at the Vivaldi element. An integrated matching layer in the form of periodic strip loading is introduced. A single polarized soft Vivaldi array prototype has been developed fabricated and measured. The developed finite array has been loaded with a soft condition in the periphery to mitigate edge effects. The results indicated improved cross-polarization and side-lobe levels.

A new class of wideband antenna arrays, the Strongly Coupled Asymmetric Dipole Array (SCADA) was also proposed in this thesis. Exploiting asymmetry in the array element introduces an additional degree of freedom that improves bandwidth and scanning performance. A novel methodology for terminating finite arrays is also proposed. The theory and an experimental antenna array is presented with good agreement between measured and simulated results. An effort to integrate a vertical wide angle matching layer was also addressed and a prototype array with this concept is presented.

In the last part of this thesis, a methodology for the detection of the global cosmological 21cm signal from the Epoch of Reionization (EoR) is developed. The main sources of errors in this experiment, the foregrounds and the antenna chromaticity are evaluated. A new algorithmic methodology for extracting the global EoR signal is proposed. The method is based on piecewise polynomial fitting and has successfully been applied and evaluated. An antenna array that is based on the methodologies described in this thesis has been developed and evaluated with the proposed algorithm.

Abstract [sv]

Bredbandiga gruppantenner med stor utstyrningsvinkel är en av de lovande kandidaterna för nästa generations trådlösa kommunikationsnätverk samt en väsentlig del av experimentell radioastrofysik. Att förstå de bakomliggande fysikaliska principerna hos gruppantennens element är avgörande för att kunna utveckla och förbättra prestandan hos ett gruppantennsystem. Denna avhandling är fokuserad på att utveckla nya bredbandstekniker samt nya teoretiska insikter om de grundläggande gränserna för gruppantenner. De här utvecklade metoderna har förutom kommunikationstillämpningar också tillämpats på en radioastrofysik tillämpning i det globala 21cm experimentet.

Att undersöka de fundamentala gränserna för gruppantenner och att utröna allmängiltiga mått på deras prestandaegenskaper kan möjliggöra a priori uppskattningar om gruppantenns tillämpbarhet för dess planerade användning. I den här avhandlingen föreslås ett allmänt kvalitetsmått på gruppantenner: gruppantennkvaliten. Detta mått kopplar samman främst bandbredd, reflektionskoefficienten med antennens tjocklek över ett jordplanet. En utvidgning av begreppet gruppantennkvaliten, presenters också i avhandlingen det kopplar samman bandbredd, matchning med antennens direktivitet/förstärkningsfaktor.

En Vivaldi-gruppantenn med mjuka ytor introduceras här som en ny sorts bredbandig gruppantenn med stor utstyrningsvinkel. I antennen har en periodisk belastning inkluderats för att förbättra dess egenskaper, och för att forma antennens elektromagnetiska utstrålning till vår fördel. Den mjuka ytan på elementet har används på ett liknande sätt som det välkända korrigerade Vivaldihornets design, och har integrerats direkt i elementets design. Den här utvecklade ändliga gruppantennen har också en mjuk yta på dess yttre delar för att minska kanteffekternas påverkan av antennprestandan. Resultaten indikerade både förbättrad korspolarisations och lägre sidlobsnivåer hos antennen.

En ny klass av bredbandiga gruppantenner har utvecklas i denna avhandling, den kallas en Starkt Kopplad Asymmetrisk Dipol-gruppAntennen - SCADA. Genom att utnyttja geometrisk asymmetri i antennelementet introduceras ytterligare en frihetsgrad som möjliggör förbättrad bandbredd och utstyrning. Vidare presenteras här en ny metod för impedansterminering av ändliga gruppantenner. Både SCADA-teorin samt dess verifiering i forma av en experimentell gruppantenn presenteras här. Teori, simulering och experiment visar god överenskommelse, vilket validerar idéerna. En prototyp av ett matchande skikt som stöder stor utstyrbarhet har integrerats med gruppantennprototypen och presenteras i avhandlingen.

I den sista delen av avhandling utvecklas också en metod för detektering av den globala kosmologiska 21 cm-signalen från universums rejoniseringsepok - EoR. Huvudkällorna för mätfel i detta experiment utvärderas, de är antennens kromaticiteten och förgrundsstrålningen. En ny algoritmbaserad metod för att extrahera den globala EoR-signalen föreslås. Metoden är baserad på anpassning med multipla polynom och har med framgång tillämpats och utvärderats. En gruppantenn som baseras på de metoder som beskrivs i avhandling har också föreslagits och dess prestanda har utvärderats med den föreslagna metoden.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
KTH Royal Institute of Technology, 2017. , s. 88
Serie
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2017:167
Nyckelord [en]
array figure of merit, fundamental limits, wideband array, wide scan-angle array, strongly coupled asymmetric dipole array, periodic loading, soft Vivaldi array, 21cm Cosmology, Epoch of Reionization
Nationell ämneskategori
Telekommunikation
Forskningsämne
Elektro- och systemteknik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-218011ISBN: 978-91-7729-612-6 (tryckt)OAI: oai:DiVA.org:kth-218011DiVA, id: diva2:1158607
Disputation
2017-12-11, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 13:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

QC 20171121

Tillgänglig från: 2017-11-21 Skapad: 2017-11-20 Senast uppdaterad: 2022-06-26Bibliografiskt granskad
Delarbeten
1. Array Antenna Limitations
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Array Antenna Limitations
2013 (Engelska)Ingår i: IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, ISSN 1536-1225, E-ISSN 1548-5757, Vol. 12, s. 1539-1542Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

This letter defines a physical-bound-based array figure of merit for both single and multiband array antennas. It provides a measure to compare their performance with respect to return loss, bandwidth(s), thickness of the array over the ground plane, and scan range. The result is based on a sum-rule result of Rozanov-type for linear polarization. For single-band antennas, it extends an existing limit for a given fixed scan-angle to include the whole scan range of the array, as well as the unit-cell structure in the bound. The letter ends with an investigation of the array figure of merit for some wideband and/or wide-scan antennas with linear polarization. We find arrays with a figure of merit >0.6 that empirically defines high-performance antennas with respect to this measure.

Nyckelord
All-in-one arrays, antenna theory, array antenna limitations, bandwidth limitation, electromagnetic analysis, figure of merit, physical bound
Nationell ämneskategori
Elektroteknik och elektronik Telekommunikation
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-139186 (URN)10.1109/LAWP.2013.2291362 (DOI)000328053100009 ()2-s2.0-84900522570 (Scopus ID)
Forskningsfinansiär
Vinnova, NFFP5
Anmärkning

QC 20140114

Tillgänglig från: 2014-01-14 Skapad: 2014-01-08 Senast uppdaterad: 2024-03-18Bibliografiskt granskad
2. Gain, Matching and Bandwidth Limits of Antenna Arrays
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Gain, Matching and Bandwidth Limits of Antenna Arrays
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Nationell ämneskategori
Telekommunikation
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-217878 (URN)
Anmärkning

QC 20171121

Tillgänglig från: 2017-11-17 Skapad: 2017-11-17 Senast uppdaterad: 2022-06-26Bibliografiskt granskad
3. The Soft Vivaldi Antenna Array with an Integrated Matching Layer
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>The Soft Vivaldi Antenna Array with an Integrated Matching Layer
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Nationell ämneskategori
Telekommunikation
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-217879 (URN)
Anmärkning

QC 20171121

Tillgänglig från: 2017-11-17 Skapad: 2017-11-17 Senast uppdaterad: 2022-06-26Bibliografiskt granskad
4. The Strongly Coupled Asymmetric Dipole Array (SCADA) with an E-plane Edge Termination
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>The Strongly Coupled Asymmetric Dipole Array (SCADA) with an E-plane Edge Termination
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Nationell ämneskategori
Telekommunikation
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-217881 (URN)
Anmärkning

QC 20171121

Tillgänglig från: 2017-11-17 Skapad: 2017-11-17 Senast uppdaterad: 2022-06-26Bibliografiskt granskad
5. Antenna Calibration and Foreground Modeling Errors in 21-cm Global Experiments
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Antenna Calibration and Foreground Modeling Errors in 21-cm Global Experiments
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Nationell ämneskategori
Annan fysik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-217883 (URN)
Anmärkning

QC 20171121

Tillgänglig från: 2017-11-17 Skapad: 2017-11-17 Senast uppdaterad: 2022-06-26Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(46333 kB)3938 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 46333 kBChecksumma SHA-512
725139d90a5de8d769d3056fd1fb4f0d37cb95802b35e6f1b8b3c1d5b09acf9e78d92c3c2736d65a8ceadd03f19324ccaa36bb6d21ad2eef083b25a41a100b87
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Kolitsidas, Christos
Av organisationen
Elektroteknisk teori och konstruktion
Telekommunikation

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 3942 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

isbn
urn-nbn

Altmetricpoäng

isbn
urn-nbn
Totalt: 4790 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf