Design and optimization of reflectarray antennas

Reflectarray antennas are nowadays a quite popular technology, used in several applications, thanks to their advance features e.g. low-cost, conformal deployment, and the reconfigurability. Nevertheless, they still suffer for some limitations that are partially due to their intrinsic reduced bandwidth, that could be enlarged, but generally with a drastic increase of the structure complexity. Therefore, in this thesis new types of re-radiating element for reflectarray design will be presented. Moreover, the design will exploit the capability of optimization algorithms to support the design of RAs and enhance their bandwidth. The developed activity was mainly focused on the following two research areas: - the development of enhanced optimization techniques; - the study of innovative, wide bandwidth printed Reflectarray Antennas (RAs). For what concerns the activity on the optimization algorithms, different available solutions, including evolutionary algorithms (e.g. PSO, GA), Bayesian optimization algorithm (BOA), and compact genetic algorithm (cGA), have been firstly investigated. Modified versions of BOA and cGA, which greatly improved their performances with respect to the original algorithms, have been then developed. These modified algorithms have been successfully applied to array synthesis problems, as the design of thinned arrays and sparse arrays, revealing promising features also for more complex applications as the optimized design of reflectarray antennas. Passive reflectarrays are flat arrays of passive printed elements, whose resonant behavior allows a phase shaping of a beam incident on the array, thus replacing the curvature of a conventional reflector. Despite of their advantages, RAs present also some drawbacks, the main of which is their narrow bandwidth. In order to enhance the bandwidth, new possible configurations of reflectarray unit elements have been studied. After an exhaustive analysis of different types of elements, the most promising have been used to design entire RAs; their full-wave numerical analysis shows the obtained bandwidth improvement. Reconfigurable reflectarray antennas (RRAs) have been also investigated in the thesis. RRA offer the possibility of dynamically control and reconfigure the antenna's beam patterns, feature which is highly demanded in radar and satellite communication applications. The research has been focused on the design of a RRA unit cell, simple and easy to implement in RRA. The selected configuration shows its characteristics that make it suitable for the design of a whole RRA.

Le antenne Reflectarray costituiscono oggi una tecnologia piuttosto popolare, usata in svariati contesti e applicazioni grazie alle loro caratteristiche avanzate come il basso costo, la distribuzione conforme e la riconfigurabilità. Nonostante tutto, le antenne Reflectarray soffrono tutt’ora di alcune limitazioni dovute in parte alla loro larghezza di banda intrisicamente ridotta, banda che può essere allargata ma a costo di un drastico aumento della complessità della struttura. In questa tesi si presentano pertanto nuovi tipi di elementi re-irradianti per il progetto dei reflectarray. In particolare, per la definizione delle RAs e per aumentare la loro banda passante si sfrutteranno le potenzialità di specifici algoritmi di ottimizzazione. La presente ricerca si è focalizzata soprattutto su due obiettivi: - Lo sviluppo di tecniche di ottimizzazione avanzate - Lo studio di innovative Antenne Reflectarray (RA), stampabili e a banda larga Per quel che concerne gli algoritmi di ottimizzazione, in un primo tempo sono state prese in considerazione diverse soluzioni possibili, in particolare algoritmi evolutivi come: PSO, GA, Bayesian Optimization Algorithm (BOA) e Compact Genetic Algorithm (cGA). In seguito sono state sviluppate versioni modificate del BOA e del cGA, versioni che hanno mostrato prestazioni ampiamente migliori rispetto agli algoritmi originali. Questi algoritmi modificati sono stati usati con successo per i problemi di sintesi degli array, come il progetto di array di tipo “thinned” e “sparse”, rivelando caratteristiche promettenti anche per applicazioni più complesse come il progetto ottimizzato di RA. I reflectarray passivi sono array piatti costituiti da elementi passivi stampati, il cui comportamento alla risonanza consente di variare a piacere la fase del raggio incidente sull’array stesso, svolgendo quindi una funzione analoga alla curvatura in un riflettore convenzionale. A dispetto di questi vantaggi, le RA presentano alcune controindicazioni, la principale delle quali è la strettezza di banda. Per allargare la banda sono state studiate nuove possibili configurazioni delle unità elementari. Dopo un’analisi esaustiva dei differenti tipi di elementi, il più promettente è stato usato per il disegno dell’intera RA. Un’analisi numerica full-wave ha in seguito confermato l’aumento della larghezza di banda. In questa tesi sono state considerate anche le Antenne Reflectarray Riconfigurabili (RRA), le quali offrono la possibilità di controllare e riconfigurare dinamicamente l’interazione del raggio incidente con l’antenna, caratteristica molto richiesta per i Radar e le comunicazioni satellitari. La ricerca si è concentrata sul progetto di una cella unitaria di RRA, semplice e facile da realizzare. La singola cella ha mostrato caratteristiche che la rendono adatta per il progetto di un intera RRA.