Electromagnetic analysis and optimization of a coaxial horn antenna operating at millimetre wave frequencies

Abstract

This undergraduate thesis is contextualized by the recent expansion of mobile communication systems towards operation at millimetre wave frequencies. This expansion, proposed as a means to provide greater spectrum availability and support multiple current and emerging use cases, has encouraged research into the development of antennas and devices capable of overcoming the challenges of operating at extremely high frequencies. One of the proposed antennas capable of providing the sought-after wideband behaviour and omnidirectional high-gain characteristic is the dual-reflector antenna fed by a coaxial horn. This work aims to conduct electromagnetic analyses and optimizations of a coaxial horn operating in the Ka band (26 GHz to 40 GHz), a portion of the spectrum being allocated worldwide for future international mobile telecommunications. Ultimately, this work will evaluate the design of two coaxial horn models: the standard coaxial horn, serving as a practical prototype of the device previously presented in the literature, utilizing the same dimensions but incorporating essential elements to enable its fabrication without compromising performance; and the shaped coaxial horn, an optimized version aiming for a broader bandwidth and a more uniform radiation pattern. This work will also report the fabrication of the standard coaxial horn through additive manufacturing, and its characterization, from which measurements revealed a relative impedance bandwidth of 79% and a peak realizable gain of 11.53 dBi.

Este trabalho de conclusão de curso está contextualizado pela recente expansão da operação dos sistemas de comunicação móvel para frequências de ondas milimétricas. Essa expansão, proposta como uma forma de proporcionar maior disponibilidade de espectro e apoiar diversos casos de uso atuais e emergentes, incentivou pesquisas para o desenvolvimento de antenas e dispositivos capazes de superar os desafios de operar em frequências extremamente elevadas. Uma das antenas propostas capaz de fornecer o comportamento banda larga desejado e a característica de alto ganho omnidirecional é a antena duplo-refletora alimentada por uma corneta coaxial. Este trabalho visa realizar análises eletromagnéticas e otimizações de uma corneta coaxial operando na banda Ka (26 GHz a 40 GHz), uma parte do espectro que vem sendo alocada mundialmente para futuros sistemas de telecomunicações móveis internacionais. Em suma, este trabalho avaliará o projeto de dois modelos de cornetas coaxiais: a corneta coaxial padrão, servindo como um protótipo prático do dispositivo previamente apresentado na literatura, utilizando as mesmas dimensões, mas incorporando elementos essenciais para viabilizar sua fabricação sem comprometer o desempenho; e a corneta coaxial modelada, uma versão otimizada visando uma largura de banda mais ampla e um diagrama de radiação mais uniforme. Este trabalho também relatará a fabricação da corneta coaxial padrão por manufatura aditiva e sua caracterização, a partir da qual as medições revelaram uma largura de banda de impedância relativa de 79% e um ganho realizável máximo de 11,53 dBi.