Design and Fabrication of 12 GHz Double Loop M-FSS Transmitarray

Abstract

Denne masteroppgaven presenterer to design av elektromagnetiske linser kalt transmitarray, laget med en senterfrekvens på 12 GHz og en brennvidde på F=400 mm. Begge består av tre identiske plane lag som hver er dekket av 293 doble kvadratiske løkker arrangert i et periodisk gitter. Disse løkkene er enhetsceller og har en bredde på λ/2. Radiusen på transmitarrayene er 10 slike enhetsceller, eller 125 mm.

Hensikten til den første linsen er å kollimere den sfæriske bølgefronten fra en hornantenne. Den er fremstilt på FR4 substrat og målt i et anekoisk kammer. På grunn av høyere permittivitet i det fysiske substratet, har det fabrikkerte transmitarrayet en lavere senterfrekvens på 10.97 GHz samt en kortere brennvidde på F=300 mm. Høyeste vinning er 9.43 dB (12 GHz, F=400 mm) og 9.34 dB (10.97 GHz, F=300 mm) for henholdsvis simulert og målt transmitarray. På den tiltenkte senterfrekvensen (12 GHz) har derimot det fabrikkerte transmitarrayet en vinning på kun 3.44 dB.

Målet for den andre linsen er å omforme hovedloben fra en hornantenne til to separate lober med retningene (θ=45˚, φ=0˚) og (θ=45˚, φ=45˚). Dette transmitarrayet er ikke fremstilt, men brukes for å demonstrere partikkelsvermoptimalisering for å oppnå ønsket fjernfelt. Algoritmen klarer å syntetisere fasefordelingen til en enkeltmatet tverrlobet linse etter 500 iterasjoner.

This thesis presents the design of two electromagnetic lenses called transmitarrays, designed with a center frequency of 12 GHz and a focus distance of F=400 mm. Both consists of three stacked identical planar layers patterned with 293 double square loop periodic phase shifting unit cell, each cell having a width of λ/2. The radius of the transmitarrays are 10 unitcells or 125 mm.

The first lens collimates the spherical wavefront from a horn antenna. It is fabricated on FR4 substrate and measured in an anechoic chamber. Due to increased permittivity in the physical substrate, the realized transmitarray has a lower center frequency of 10.97 GHz and a shorter focus distance of F=300 mm. Peak gains are 9.43 dB (12 GHz, F=400 mm) and9.34 dB (10.97 GHz, F=300 mm) for the simulated and measured transmitarray, respectively. However, at the designed 12 GHz frequency and F=400 mm focus distance, the realized transmitarray has a gain of just 3.44 dB.

The second lens transforms the single main lobe of a horn antenna into two separate lobes directed into (θ=45˚, φ=0˚) and (θ=45˚, φ=45˚). This lens is not fabricated, but demonstrates particle swarm optimization to achieve an arbitrary desired farfield. The algorithm manages to synthesize the phase distribution of the single-fed dual-lobe lens after 500 iterations.