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.