Kaksi- ja laajakaistaisten antennien suunnittelu langattomiin 5G- ja alimillimetrialueen 6G-viestintäjärjestelmiin

Tässä väitöskirjassa esitetään menetelmiä, joilla voidaan suunnitella laajakaistaisia millimetri- ja alimillimetriaaltoalueen antenneja, jotka hyödyntävät useita toimintamoodeja. Aluksi esitellään kolmimoodinen magnetoelektrinen (ME) dipoliantenni viidennen sukupolven (5G) viestintäjärjestelmälle 5G New Radio FR2 -taajuuskaistoilla 24.25-29.5 GHz ja 37-40 GHz. Antennin suunnittelussa on hyödynnetty karakterististen moodien analyysiä (Characteristic Mode Analysis, CMA), joka tarjoaa järjestelmällisen tavan ymmärtää yksittäisten resonoivien moodien toimintaa. CMA-analyysi helpottaa suunnitteluprosessia ja vähentää tarvittavaa optimointia. Esitetyssä antennissa jokaisen kolmen moodin toimintaa voidaan säätää erikseen. Tätä menetelmää on hyödynnetty väitöstyössä myös laajakaistaisen ja matalaprofiilisen rannenauhaan sijoitettavan ME-dipoliantennin suunnitteluun yksisuuntaisen säteilykuvion saavuttamiseksi. Lisäksi on kehitetty laajakaistainen antenni alimillimetrialueen detektorisovelluksiin hyödyntämällä antennin perus- ja toiseksi korkeinta toimintamoodia. Korkeamman moodin resonanssitaajuuden siirtämiseksi kohti perusmoodin resonanssia sekä moodien toimintataajuussuhteen säätämiseksi työssä esitetty kaksoistaittodipoli hyödyntää porrastettua syöttöjohtorakennetta.

Edellä mainitun kolmimoodisen ME-dipolin pohjalta väitöskirjassa on esitetty FR2-taajuuksille 24.25-29.5 GHz ja 37-43.5 GHz kaksoispolarisoitu antenni kahdella laajalla toimintakaistalla sekä toisen asteen kaistanestosuodatuksella. Haluttu estokaista sekä korkea selektiivisyys saavutetaan hyödyntämällä kahta eri resonaattorityyppiä: hiusneularesonaattoreita sekä neljännesaallon avoimiin ja oikosuljettuihin virityspätkiin perustuvia resonaattoreita. Esitetty kaksikaistainen antenni mahdollistaa suodattimen napojen ja siirtonollien itsenäisen säädön kasvattamatta antennin fyysistä kokoa laajakaistaiseen referenssiantenniin verrattuna.

Millimetri- ja alimillimetrialueen korkean etenemisvaimennuksen kompensoimiseksi hyödynnetään integroituja linssiantenneja. Käyttämällä enemmän aktiivisia syöttöelementtejä linssin polttotasolla voidaan parantaa antennijärjestelmän ekvivalenttista isotrooppista säteilytehoa (Effective Isotropic Radiated Power, EIRP). Väitöskirjassa esitellään menetelmä ennustaa antennin syöttöklusterin elementtien kompleksiset syöttökertoimet (amplitudi ja vaihe) hyödyntämällä konjugaattista kentänsovitusta. Tällä tavalla voidaan parantaa linssiantennin keilankääntöominaisuuksia (esim. sivukeilatasoa, suuntaavuutta sekä apertuurihyötysuhdetta) kahden ja viiden syöttöelementin tapauksissa. Lisäksi työssä esitellään vaihtoehtoinen menetelmä linssiantennien suorituskyvyn parantamiseksi perustuen tehonyhdistämiseen monisyöttöisessä vuotavan raon antennissa useamman erillisen syöttöelementin käyttämisen sijaan.