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Planar Functional Leaky-Wave Antenna Engineering : Concepts, Structures, and Techniques for Radar Sensing Systems

Dongze Zheng

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

Leaky-wave antennas (LWAs), as a special kind of guiding structures characterized by both wave guidance and wave radiation, have received much attention since the inception of the first LWA in 1940s, thanks to their many appealing features such as high directivity, narrow directive beam, easy feeding mechanism, simple configuration, and particular frequency-driven beam-scanning (or space-frequency mapping) capability. LWAs have been in the spotlight of both academics and industries since their unique frequency-scanning can be exploited for a wide variety of practical applications among which the radar sensing system is of particular importance to our practical world. The development of various kinds of LWAs featuring multifarious functionalities/electrical characteristics and the exploration of possible system-level applications using LWAs constitute such two research mainstreams in the recent development of leaky-wave R&D communities, which presents a prevailing trend in our RF/microwave realm. Under this context, this thesis proposes and investigates several novel concepts and techniques to design and decorate LWAs with elegant functionalities and electrical behaviors. Besides, this thesis also furnishes a feasible antenna front-end solution enabling LWAs to be used for wideband operation in radar sensing systems. When it comes to the functionalities and electrical behaviors of LWAs that the thesis mainly focuses on, Chapter 3 is dedicated to a longitudinally slotted TE20 mode-driven SIW (substrate-integrated waveguide) LWA characterized simultaneously by low side-lobe and low cross-polarization behaviors. In this work, a pair of meandering long slots are etched symmetrically on the top broadside of a TE20-mode SIW. Specially designed meandering shapes imposed on the long slots are set to realize low side-lobe properties, whereas the odd-symmetry of TE20 mode along with the even-symmetrically etched long slots results in an effective radiation particularly possessing low cross-polarization. In Chapter 4, loading effects of radiating discontinuities (RDs) have been explored to increase the dispersion or beam-scanning rate of LWAs, based on which a quasi-uniform transversely slotted SIW LWA featuring rapid beam-scanning and its hexagonal array have been proposed and investigated for millimeter-wave applications. The design concept or technicalities of the rapid beam-scanning property is simply based on the use of a short period of unit-cells and a long transverse slot with a sharp inductive reactance.

Résumé

Les antennes à ondes de fuite (LWA) sont des structures guidées particulières caractérisées par la propagation des ondes et le rayonnement. Les LWAs ont attiré beaucoup d'attention depuis ses premières créations dans les années 1940 grâce aux nombreuses caractéristiques attrayantes telles qu'une directivité élevée, un faisceau directif étroit, un mécanisme d'alimentation simple, une configuration simple et une capacité particulière de balayage de faisceau fréquentiel (ou cartographie espace-fréquence). En plus, grâce à ses capacités de balayage spatial en fréquence, les LWAs ont été exploités par la partie académique ainsi que la partie industrielle dans plusieurs applications, notamment les applications de radar. De nos jours, les LWAs présentant multiples fonctionnalités/caractéristiques électriques ainsi que les applications de LWAs au niveau de systèmes sont à la mode. Dans ce contexte, cette thèse propose plusieurs nouveaux techniques et concepts pour développer des LWAs avec des fonctionnalités/comportements électriques élégants. En outre, cette thèse présente également une solution frontale de LWA à large bande pour des systèmes radar.Concernant les fonctionnalités/comportements électriques des LWAs, chapitre 3 est dédié à une LWA en SIW basé sur le mode TE20 à fente longitudinale qui est caractérisée par les faibles niveaux de lobe secondaire et de polarisation croisée. Dans ce travail, une paire de longues fentes sinueuses sont gravées symétriquement sur le bord supérieur d'un SIW en mode TE20. Des formes sinueuses visent à réduire le niveau de lobe secondaire, tandis que la symétrie impaire du mode TE20 et les longues fentes symétriques contribuent à diminuer la polarisation croisée. Dans le chapitre 4, les effets de charge des rayonnements discontinuités (RDs) ont été explorés pour augmenter la dispersion ou le taux de balayage des LWAs. Basé sur cela, une LWA à fentes transversales quasi-uniforme en SIW avec la capabilité de balayage rapide et son réseau hexagonal ont été proposés et étudiés pour des applications à ondes millimétriques. Le mécanisme du balayage rapide est basé sur les cellules unitaires à courte période et la longue fente transversale avec une réactance inductive forte. Dans le chapitre 5, le concept de filtre passe-bande radiatif (RBPF) est proposé et étudié pour développer une classe de LWA filtrante multifonctionnel qui présente simultanément un balayage de faisceau rapide en fréquence et une caractéristique sélective en fréquence.

Department: Department of Electrical Engineering
Program: Génie électrique
Academic/Research Directors: Ke Wu
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9905/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 21 Apr 2022 11:12
Last Modified: 08 Apr 2024 10:09
Cite in APA 7: Zheng, D. (2021). Planar Functional Leaky-Wave Antenna Engineering : Concepts, Structures, and Techniques for Radar Sensing Systems [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9905/

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