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Radiation Properties and Antenna Developments Through Periodic and End-Fire Composite Structures

Yifan Yin

PhD thesis (2021)

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Cite this document: Yin, Y. (2021). Radiation Properties and Antenna Developments Through Periodic and End-Fire Composite Structures (PhD thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/6271/
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Abstract

RÉSUMÉ Diverses applications ont été faites diverses exigences aux antennes. Une antenne composite a plusieurs radiateurs intégrés dans une antenne, et est une bonne solution pour répondre à ces exigences. La motivation de la thèse est d'explorer les antennes composites planaires basées sur des guides d'ondes intégrés au substrat (SIW), en particulier les antennes composites planaires à polarisation circulaire (CP) end-fire sur des substrats minces à gains élevés, ce qui est supposé être difficile à concevoir. Etant donné qu'un SIW est également une structure périodique, les formules de calcul des paramètres associés aux structures périodiques sont développées, et les caractéristiques d'impédance, de réflexion et de rayonnement des structures périodiques ont été examinées. Les principales contributions de la thèse peuvent être résumées comme suit: ⚫ Proposer et faire la démonstration de trois antennes composites CP à gain élevé basées sur SIW entièrement planes: klaxon-ALTSA, slot-ALTSA et UDR-ALTSA. Les trois antennes composites sont en fait trois types de réseaux linéaires hétérogènes à deux éléments, s'étendant respectivement dans les trois dimensions d'espace orthogonales. La corne-ALTSA est constituée de cornes SIW et d'une fente antipodale linéaire conique (ALTSA) sur un substrat, s'étendant transversalement sur le plan du substrat. Il comprend également un réseau d'alimentation plan compact avec des configurations flexibles de phase et d'amplitude, et il pourrait également être utilisé pour former un grand réseau. La fente-ALTSA est constituée de fentes sur les larges parois et d'un ALTSA, s'étendant longitudinalement sur le plan du substrat. La fente-ALTSA est également un réseau hétérogène d'un faisceau de balayage de fréquence et d'un faisceau fixe en bout, et il est censé être difficile à concevoir. En outre, le slot-ALTSA démontre également une application du rayonnement à ondes lentes dans un SIW à fente. L'UDR-ALTSA se compose d'un UDR et d'un ALTSA, s'étendant le long de la direction normale au plan du substrat. L'UDR-ALTSA a non seulement une large impédance et des largeurs de bande AR, mais aussi une très petite taille avec un substrat d'alimentation très mince de 0,05λ0, et ces caractéristiques font de l'antenne un bon candidat pour les antennes élémentaires d'un grand réseau. Les trois réseaux linéaires pourraient être intégrés les uns aux autres pour former divers réseaux planaires, même un réseau tridimensionnel, et fournir diverses solutions flexibles aux antennes planes CP End-fire à gain élevé.----------ABSTRACT Diverse applications have been made various requirements to antennas. A composite antenna has multiple radiators integrated in an antenna, and is a good solution to match these requirements. The motivation of the thesis is to develop antennas and to explore radiation properties through periodic and end-fire composite structures based on substrate integrated waveguide (SIW). The principal contributions of the thesis can be summarized as follows ⚫ To propose and demonstrate three fully planar SIW-based high gain end-fire circularly polarized (CP) composite antennas: horn-ALTSA, slot-ALTSA, and UDR-ALTSA. The three composite antennas are actually three kinds of two-element heterogeneous linear arrays, stretching in the three orthogonal space dimensions respectively. The horn-ALTSA consists of SIW horns and antipodal linearly tapered slot (ALTSA) on a substrate, stretching transversely on the substrate plane. It also includes a compact planar feeding network with flexible configurations of phase and magnitude, and it could be also used to form a big array. The slot-ALTSA consists of slots on the broad walls and an ALTSA, stretching longitudinally on the substrate plane. The slot-ALTSA is also a heterogeneous array of a frequency-scanning beam and an end-fire fixed beam, and it supposed to be difficult to design. Besides, the slot-ALTSA also demonstrates an application of slow wave radiation in a slotted SIW. The UDR-ALTSA consists of UDR and an ALTSA, stretching along the direction normal to the substrate plane. The UDR-ALTSA has not only wide impedance and axial ratio bandwidths but also a very small size with a very thin feeding substrate of 0.05λ0, and these features make the antenna to be a good candidate for element antennas of a big array. The three linear arrays could be integrated with each other to form various planar arrays, even a three-dimensional array, and provide diverse flexible solutions to high gain end-fire CP planar antennas. Moreover, the UDR-ALTSA includes a smart UDR, fed by a novel feeding structure, to enhance only vertically polarized (VP) rather than horizontally polarized (HP) radiation of ALTSA. The novel polarization-selective enhancement could be applied to other CP antennas. ⚫ To propose and investigate planar composite antennas: UDR-SIW VP antenna fed by a thin SIW of 0.05λ0, a slot-horn omnidirectional antenna.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie électrique
Academic/Research Directors: Ke Wu
Date Deposited: 14 Jul 2021 13:18
Last Modified: 14 Jul 2021 13:18
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/6271/

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