Numerical Modeling and Design of Gradient-Index Lens and Radome Antennas
2026 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
This thesis investigates the numerical modeling and design of gradient-index (GRIN) lens antennas and radome-integrated phased array antennas (PAAs) at millimeter-wave frequencies. The research encompasses the analysis of periodic structures, the development of efficient ray-tracing and physical-optics (RT-PO) tools, and the design of high-performance GRIN lens and radome antennas.
First, a comprehensive methodology is established to obtain the dispersion diagrams of structures periodic in all three spatial dimensions and characterized by various lattice arrangements. Analysis shows that symmetries in body-centered and face-centered cubic lattices lead to improved isotropy and maintain low-dispersion characteristics over a wider frequency range than conventional simple cubic lattices. These properties facilitate the implementation of high-performance GRIN lenses based on suitable lattice arrangements, as demonstrated through fully metallic Luneburg lens and dielectric truncated virtual image lens designs.
Second, an efficient RT-PO model is developed to provide a rapid tool for analyzing lens radiation properties. This framework applies geometric optics to calculate ray trajectories and determine the corresponding phase distributions, followed by amplitude evaluation via ray-tube power conservation theory and radiation-field computation using the field equivalence principle. For azimuthally symmetric three-dimensional GRIN lenses with directive feeds for collimation or focusing, RT is reduced to a two-dimensional (2D) axial cross section, while PO is performed on a circular integration surface at the lens output. If the field on this surface is uniformly linearly polarized, the PO formulation is further simplified from vector to scalar integration. This approach enables accurate evaluation of both quasi-nondiffracting near-field and collimated far-field distributions, with computation times significantly shorter than those required by commercial full-wave simulators.
Lastly, this research explores lens-based radomes integrated with PAAs to enhance directivity within the desired scanning range without modifying the existing arrays. The initial dielectric lens (DL) designs are based on full-wave simulations; however, the high computational cost of these simulations motivates the development of efficient RT-PO models for radome analysis and design. Using the 2D RT-PO model, a DL is designed and validated through prototype measurements, confirming improved gain and beam-pointing accuracy for a realistic PAA at wide scanning angles. Beyond standalone DLs, a hybrid dome combining DLs and metadomes (MDs) is introduced to exploit the benefits of both structures, achieving lower weight and volume than standalone DLs and a broader bandwidth than standalone MDs. The capability of the hybrid dome to extend the PAA scanning range is demonstrated in both single-beam scanning scenarios and steerable flat-top beam applications.
Abstract [sv]
Denna avhandling behandlar numerisk modellering och utformning av gradientindexbaserade linsantenner (GRIN-linser) samt radomintegrerade fasstyrda gruppantenner (PAA) vid millimetervågsfrekvenser. Arbetet omfattar analys av periodiska strukturer, utveckling av effektiva verktyg för strålspårning och fysikalisk optik (RT-PO) samt utformning av högpresterande GRIN-lins- och radomantenner.
Först utvecklas en metodik för att ta fram dispersionsdiagram för strukturer som är periodiska i alla tre rumsdimensioner och har olika gitterarrangemang. Analysen visar att symmetrier i rymdcentrerade och ytcentrerade kubiska gitter förbättrar isotropin och bibehåller lågdispersiva egenskaper över ett bredare frekvensområde än konventionella enkla kubiska gitter. Detta underlättar realiseringen av högpresterande GRIN-linser med lämpliga gitterarrangemang, vilket visas genom en helt metallisk Luneburglins och en dielektrisk trunkerad virtuellbildslins.
Därefter utvecklas en effektiv RT-PO-modell för snabb analys av linsers strålningsegenskaper. Geometrisk optik används för att beräkna strålbanor och fasfördelningar, medan amplituder bestäms genom effektbevarande i strålrör och strålningsfält beräknas med fältekvivalensprincipen. För azimutalt symmetriska tredimensionella GRIN-linser med direktiva matare för kollimering eller fokusering reduceras RT-beräkningen till ett tvådimensionellt (2D) axiellt tvärsnitt, medan PO utförs på en cirkulär integrationsyta vid linsens utgång. Vid uniform linjär polarisation förenklas PO-formuleringen från vektoriell till skalär integrering. Metoden möjliggör noggrann beräkning av både kvasi-icke-diffrakterande närfält och kollimerade fjärrfält med avsevärt kortare beräkningstid än kommersiella fullvågssimulatorer.
Slutligen studeras linsbaserade radomer integrerade med PAA-system för att förbättra direktiviteten inom det önskade skanningsområdet utan att modifiera de befintliga gruppantennerna. De första designerna av dielektriska linser (DL) baseras på fullvågssimuleringar, vars höga beräkningskostnad motiverar utvecklingen av effektiva RT-PO-modeller för radomanalys och radomdesign. Med 2D RT-PO-modellen utformas en DL som valideras genom prototypmätningar och ger förbättrad förstärkning och strålriktning för en realistisk PAA vid stora skanningsvinklar. Dessutom introduceras en hybriddom som kombinerar en DL med en metadom (MD). Den ger lägre vikt och mindre volym än en fristående DL samt större bandbredd än en fristående MD. Hybriddomens förmåga att utöka PAA-systemets skanningsområde visas för både enskild strålskanning och styrbara flat-top-strålar.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2026. , p. xii, 71
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2026:72
Keywords [en]
Antenna, dielectric lens, dispersion analysis, gradient-index (GRIN) lens, metadome, numerical modeling, periodic structures, physical optics (PO), radomes, ray tracing (RT)
Keywords [sv]
Antenn, dielektrisk lins, dispersionsanalys, gradientindexlins (GRIN-lins), metadom, numerisk modellering, periodiska strukturer, fysikalisk optik (PO), radomer, strålspårning (RT)
National Category
Telecommunications
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-387841ISBN: 978-91-8106-679-1 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-387841DiVA, id: diva2:2097690
Public defence
2026-09-28, https://kth-se.zoom.us/j/65422516274, Room nr. 132, F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20260902
2026-09-022026-09-022026-09-02Bibliographically approved
List of papers