This thesis investigates the combination of array antennas with lenses to simplify the feeding networks of planar arrays in the millimeter-wave regime. Two different strategies are proposed: linear arrays of vertically stacked lenses based on parallel plate waveguide (PPW) and planar array antennas with dielectric lenses placed on top. 

Due to their large electrical size, these antennas require efficient tools to design and simulate them. In this thesis, the farfield radiation pattern is calculated using two ray tracing models that use physical optics. Both models follow three steps: calculation of ray trajectories, calculation of amplitude distribution using the ray tube theory and evaluation of farfield radiation pattern. Furthermore, these models can also calculate the radiation efficiency. For PPW-based lenses, the efficiency decreases due to the conductivity and surface roughness of the metallic plates, whereas, for dielectric lenses, the efficiency decreases due to the material absorption and reflections. 

Three PPW-based lens array antennas are presented in this thesis. First, the scanning in two planes is tested using a water drop lens array antenna and a feeding network based on a power divider and phase shifters. The antenna is manufactured in different pieces using milling. Then, a monolithic geodesic lens array antenna is designed and manufactured using additive manufacturing, which prevents leakage and misalignment between pieces. The profile of the geodesic lens requires some modifications to adapt to the manufacturing technique. Finally, a multiple-ridge lens antenna is proposed to further reduce the height profile of these antennas. Two different ridges are proposed (rectangular and trapezoidal), which are suitable for milling and additive manufacturing. This type of lens antennas can also be vertically stacked to form a linear array. 

The combination of phased array antennas and dielectric lenses is of interest in the terrestrial and satellite communications industry. Dielectric lenses can increase the gain of the array in different scanning angles or redirect grating lobes. This can help to reduce the complexity and power consumption of array feeding networks. The two designed multilayer dielectric lenses show that using other curves to define the dielectric layers provide more degrees of freedom. This together with a customized design of the lens for the specific goal helps to achieve results close to the physical limits of the lens.

Denna avhandling undersöker hur linser kan kombineras med gruppantenner för att förenkla plana gruppantenners matningsnät vid millimetervågsfrekvenser. Två olika strategier föreslås: linjära gruppantenner bestående av vertikalt staplade geodesiska linsantenner baserade på planvågledare (PPW) och plana gruppantenner med dielektriska linser placerade ovanpå.

På grund av antennernas betydande elektriska storlek krävs effektiva verktyg för att designa och simulera dem. Här beräknas fjärrfältets strålningsdiagram med två strålföljningmodeller som använder fysiskalisk optik. Dessa modeller följer tre steg: beräkning av strålbanor medelst geometrisk optik, beräkning av amplitudfördelning genom att kräva att energin bevara längs strålarna och slutligen utvärdering av fjärrfältets strålningsdiagram från strålbanorna och amplitudfördelningen. Vidare kan dessa modeller också beräkna antennens verkningsgrad. För de PPW-baserade linserna minskar verkningsgraden på grund av metallers begränsade ledningsförmåga och ytojämnheter i de metalliska plattorna, medan verkningsgraden för dielektriska linser minskar på grund av materialets absorption och reflektioner.

Tre PPW-baserade linsgruppantenner presenteras i denna avhandling. Först presenteras strålstyrning  i två plan i en gruppantenn av vertikalt staplade PPW-linser och ett matningsnät baserat på effektfördelare och fasvridare. Antennen tillverkas i olika delar med fräsning. Därefter designas och tillverkas en monolitisk gruppantenn med hjälp av additiv tillverkning, vilket förhindrar läckage och fellinjerning mellan olika delar. Profilen för den geodesiska linsen kräver vissa modifieringar för att anpassas till tillverkningstekniken. Slutligen föreslås en åsad linsantenn för att minska höjden av PPW-linsanten. Två olika åsar föreslås (rektangulära och trapetsformade), som är lämpliga för fräsning respektive additiv tillverkning. Denna typ av linsantenner kan staplas vertikalt för att bilda en linjär gruppanten.

Kombinationen av fasstyrda gruppantenner och dielektriska linser är av intresse för mobil- och satellitkommunikation. Dielektriska linser kan öka gruppantenners förstärkning vid olika styrvinklar eller styra gallerlober. Detta kan bidra till att minska komplexiteten och strömförbrukningen hos matningsnäten för dessa gruppantenner. De två designade dielektriska linserna visar att användandet av olika profiler för de dielektriska lagren i linsen ger fler frihetsgrader. Detta, tillsammans med en anpassad design av linsen för specifika mål, bidrar till att de uppnådda resultaten ligger nära linsens fysikaliska gränser.

This thesis investigates the ray tracing (RT) and physical optics (PO) method for geodesic and gradient-index (GRIN) lens antennas in both far and near fields at millimeter-wave frequencies (from around 30 GHz up to 110 GHz). In particular, parallel-plate-waveguide (PPW) based GRIN lenses and geodesic H-plane horns are studied to realize high-gain antennas in the far-field region. In addition, radial GRIN lenses are investigated to produce quasi-nondiffracting beams in the near-field region. Ray techniques are used in all cases.

First, a highly time-efficient and reasonably accurate RT-PO model is proposed as a fast design tool. The model can be divided into three steps:(i) calculation of ray trajectories and the corresponding phase distribution applying geometric optics, (ii) evaluation of the amplitude distribution using ray-tube power conservation theory, and (iii) calculation of radiation far fields applying the field equivalence principle in PO. In this thesis, important antenna parameters are obtained from the model, including the radiation pattern, directivity, dielectric loss, and gain. Two PPW-based GRIN lenses, the Mikaelian and Luneburg lenses with H-plane beam steering capabilities, are studied to validate the proposed RT-PO model.

The RT-PO model is also used to design novel geodesic H-plane horn antennas. An appropriate geodesic shape is proposed and optimized using the fast RT-PO tool to correct for phase errors in regular H-plane horns.The resulting fully metallic antennas maintain a stable fan-shaped beam in a large bandwidth with high gain, high aperture efficiency, and high radiation efficiency. Furthermore, a metal-only additive manufacturing (AM) technique is used to monolithically manufacture them in a compact and lightweight manner. Successful prototyping has been shown up to the W-band.

In addition to far-field applications, this thesis also investigates radial GRIN lenses for near-field beamforming. A quasi-closed-form radial GRIN profile is derived based on optical path lengths of the traced rays to generate quasi-nondiffracting beams. The proposed profile can be applied for a wide range of lens parameters and operating frequencies. Quasi-periodic structures arranged in a highly symmetric lattice are used to experimentally realize this lens using a dielectric AM technique to cover the entire Ka-band. The proposed profile is also equally applicable for higher frequencies.

Denna avhandling undersöker strålspårning (RT) och fysikalisk optik (PO) för geodetiska och gradientindex- (GRIN) linsantenner i både fjärr- och närfält vid millimetervägsfrekvenser (från cirka 30 GHz upp till 110 GHz). I synnerhet studeras parallella plattvågledar- (PPW) baserade GRIN-linser och geodetiska H-planshorn för att generera högförstärkande antenner i fjärrfältet. Dessutom undersöks radiella GRIN-linser för att producera kvasi-icke-diffrakteran-de balkar i närfältet. Stråltekniker används i samtliga fall.

Den mycket tidseffektiva och rimligt noggranna RT-PO-modellen föreslås först som ett snabbt designverktyg. Modellen kan delas in i tre steg: (i) beräk-ning av strålbanor och motsvarande fasfördelning med hjälp av geometrisk optik, (ii) utvärdering av amplitudfördelningen med hjälp av strålrör effektbevarandeteori, och (iii) beräkning av strålningsfjärrfält med hjälp av fält-ekvivalensprincipen i PO. I denna avhandling erhålls viktiga antennparametrar från modellen, inklusive strålningmönster, riktningsförmåga, dielektrisk förlust och förstärkning. Två PPW-baserade GRIN-linser, Mikaelian- och Luneburg-linserna med H-plan strålstyrningfunktioner, studeras för att validera den föreslagna RT-PO-modellen.

RT-PO-modellen används också för att designa nya geodetiska H-plan-hornantenner. En lämplig geodetisk form föreslås och optimeras med hjälp av det snabba RT-PO-verktyget för att korrigera för fasfel i vanliga H-planhorn. De resulterande helt metalliska antennerna bibehåller en stabil solfjäderform-ad stråle över ett brett frekvensband, med hög förstärkning, hög bländare-ffektivitet och hög strålningsverkningsgrad. Dessutom används en additiv tillverkningsteknik (AM) med enbart metall för att monolitiskt tillverka dem på ett kompakt och lätt sätt. Framgångsrik prototypframställning har demonstrerats upp till W-bandet.

Förutom tillämpningar i fjärrfältet undersöker denna avhandling även radiella GRIN-linser för närfältsstrålformning. En kvasi-sluten radiell GRIN-profil härleds baserat på optiska väglängder för de spårade strålarna för att generera kvasi-icke-diffrakterande strålar. Den föreslagna profilen kan tillämpas för ett brett spektrum av linsparametrar och driftsfrekvenser. Kvasiperiodiska strukturer arrangerade i ett mycket symmetriskt gitter används för att experimentellt realisera denna lins med hjälp av dielektrisk AM som täcker hela Ka-bandet. Den föreslagna profilen är även lika tillämplig för högre frekvenser.