Quasi-Chebyshev filtering antennas for microwave and mm-wave communications

This thesis explores the integration of filtering functions directly into antenna arrays, addressing the demand for compact, low-loss RF front-ends in modern communication systems. According to recent works, a robust model for a filtering antenna can be developed using a generalised coupling matrix framework. Leveraging this approach, a two-port circuit model is established to describe a fourth-order array of resonant antennas, where each radiating element functions as an integral part of the filter network. The model also reveals constraints on synthesisable responses, which have been verified in the present work to achieve a filter characteristic compatible with the uniform-Q assumption. This leads to a Quasi-Chebyshev response, which balances ideal filter performance with practical implementability. The synthesis of the corresponding transversal network has been followed to derive a lumped-element equivalent circuit that is compatible with physical realisation using gap-coupled microstrip patches. To validate this methodology, a fourth-order Filtenna array was designed to operate at a central frequency of 20 GHz on a Rogers 4350B substrate. Full-wave electromagnetic simulations in Ansys HFSS were performed, confirming a fourth-order band-pass response with a 10 dB return loss bandwidth from 19.13 GHz to 20.95 GHz. A key original contribution of this work is the identification and mitigation of broadside gain flatness degradation, which arises from discrepancies between the ideal and EM-simulated phase and amplitude characteristics of the radiating elements. A practical mitigation technique, involving the precise azimuthal rotation of specific patches, was successfully implemented to restore the desired spectral flatness without compromising the underlying filtering response.

Questa tesi esplora l'integrazione di funzioni di filtraggio direttamente negli array di antenne, rispondendo alla domanda di front-end RF compatti e a bassa perdita nei moderni sistemi di comunicazione. Secondo lavori recenti, un modello robusto per un'antenna filtrante può essere sviluppato utilizzando una struttura a matrice di accoppiamento generalizzata. Sfruttando questo approccio, viene stabilito un modello circuitale a due porte per descrivere un array di quarto ordine di antenne risonanti, in cui ogni elemento radiante funziona come parte integrante della rete di filtraggio. Il modello rivela anche vincoli sulle risposte sintetizzabili, che sono stati verificati nel presente lavoro per ottenere una caratteristica di filtro compatibile con l'ipotesi di Q uniforme. Ciò conduce a una risposta Quasi-Chebyshev, che bilancia le prestazioni ideali del filtro con la realizzabilità pratica. La sintesi della rete trasversale corrispondente è stata seguita per derivare un circuito equivalente a elementi concentrati compatibile con la realizzazione fisica tramite patch a microstriscia accoppiate tramite gap. Per validare questa metodologia, è stato progettato un array Filtenna di quarto ordine per operare a una frequenza centrale di 20 GHz su un substrato Rogers 4350B. Sono state eseguite simulazioni elettromagnetiche full-wave in Ansys HFSS, confermando una risposta passa-banda di quarto ordine con una larghezza di banda con perdite di ritorno di 10 dB da 19.13 GHz a 20.95 GHz. Un contributo originale chiave di questo lavoro è l'identificazione e la mitigazione del degrado della piattezza del guadagno in direzione broadside, che deriva da discrepanze tra le caratteristiche di fase e ampiezza ideali e simulate con EM degli elementi radianti. Una tecnica pratica di mitigazione, che prevede la precisa rotazione azimutale di patch specifiche, è stata implementata con successo per ripristinare la piattezza spettrale desiderata senza compromettere la risposta di filtraggio sottostante.