Millimeter Wave Near-field Focusing Cassegrain Reflector Antennas

Document Type : Original Article

Abstract

The  most  common  application  of  millimeter  wave  is  the  imaging  from  buried  metals.  94  GHz  is  one  of  the  best
choices  due  to  the  signal  loss  curves.  In  this  paper  the  antenna  of a  millimeter  wave  imaging  system  is  studied.  The
main purpose is to provide an image with 2 cm × 2 cm resolution at 4 m distance (near-field). The power at this dis-
tance with 1 cm offset should be half of the power on the antenna axis without offset. Therefore the antenna diameter
should  be  about  70  cm.  The  feed  antenna  has  the -12dB  beamwidth  of  24°  and  its  phase  center  is  approximately
placed  on  a  single  point  for  both  e-plane  and  h-plane  patterns.  Different  sub-reflectors  are  used  to  obtain  the  best
efficiency for the near-field focusing antenna. Finally the effect of rotating the sub-reflector of antenna system is indi-
cated for three angles on the form of field distribution and the efficiency of antenna system.

Keywords


[1]  R.  S.  Wehner,  “Limitations  of  focused  aperture
antennas,”  Rand  Corp.  Santa  Monica,  Calif.,  Res.
Memo. RM-262,  October 1949. ##
[2]  J.  Sherman,  “Properties  of  focused  apertures  in  the
fresnel  region,”  IRE  Transactions  on  Antennas  and
Propagation, vol. 10, no. 4, pp. 399-408, Jul. 1962. ##
[3]  A. F. Kay,  “Near-field gain of  aperture antennas,”  IRE
Trans.  Antennas  Propagat.,   vol.  AP-8,   pp.  586-593
1960. ##
[4]  W.  J.  Graham, “Analysis  and  synthesis  of  axial  field
patterns  of  focused  apertures,” IEEE  Trans.  Antennas
Propagat.,  vol. AP-31,  no. 4,  1983. ##
[5]  P.-S.  Kildal  and  M.  M.  Davis,  “Characterization  of
near-field  focusing  with  application  to  the  Arecibo
tri-reflector  system,”  IEEE  Antennas  and  Propagation
Society International Symposium. 1995 Digest, 1995. ##
[6]  P.-S.  Kildal  and  M.  M.  Davis,  “Characterisation  of  
near-field focusing with application to low altitude beam
focusing of the Arecibo tri-reflector system,” IEE Proc.,
Microw.  Antennas  Propag.,  vol.  143,  no.  4,  p.  284,
1996. ##
[7]  A.  Badawi,  A.  Sebak,  and  L.  Shafai,  “Array  near  field
focusing,”  IEEE  WESCANEX  97  Communications,
Power and Computing, Conference Proceedings, 1997. ##
[8]  L.  Shafai,  A.  A.  Kishk,  and  A.  Sebak,  “Near  field
focusing  of  apertures  and  reflector  antennas,”  IEEE
WESCANEX  97  Communications,  Power  and
Computing, Conference Proceedings, 1997. ##
[9]  N.  Liombart,  K.  B.  Cooper,  R.  J.  Dengler,  T.  Bryllert,
and P.  H.  Siegel,  “Confocal  ellipsoidal  reflector  system
for  a  mechanically  scanned  active  terahertz  imager
Antennas and Propagation,” IEEE  Transactions on, vol.
58, no. 6, pp. 1834-1841, 2010.  ##
[10]  H.-T. Chou, L.-R. Kuo, H.-H. Chou, K.-L. Hung, and P.
Nepa,  “Realistic  implementation  of  ellipsoidal  reflector
antennas  to  produce  near-field  focused  patterns,”  Radio
Science, vol. 46, no. 5, Sep. 2011. ##
[11]  S.  Xiao,  S.  Altunc,  P.  Kumar,  C.  E.  Baum,  and  K.  H.
Schoenbach,  “A  Reflector  Antenna  for  Focusing
Subnanosecond  Pulses  in  the  Near  Field,”  Antennas
Wirel. Propag. Lett., vol. 9, pp. 12-15, 2010. ##
[12]  A.  M.  Abdulkhaleq,  K.  H.  Sayidmarie,  R.           
Abd-Alhameed,  and  E.  A.  Elkhazmi,  “Effects  of
elements  distribution  in  near  focused  arrays,”  2012
IEEE  17th  International  Workshop  on  Computer  Aided
Modeling  and  Design  of  Communication  Links  and
Networks (CAMAD), Sep. 2012. ##
[13]  A.  Buffi,  P.  Nepa,  and  G.  Manara,  “Design  Criteria  for
Near-Field-Focused Planar Arrays,” IEEE Antennas and
Propagation  Magazine,  vol.  54,  no.  1,  pp.  40-50,  Feb.
2012. ##
[14]  H.-T.  Chou,  N.-N.  Wang,  H.-H.  Chou,  and  J.-H.  Qiu,
“Design of Periodic Antenna Arrays With the Excitation
Phases  Synthesized  for  Optimum  Near-Field  Patterns
via  Steepest  Descent  Method,”  IEEE  Trans.  Antennas
Propagat., vol. 59, no. 11, pp. 4342-4345, Nov. 2011. ##
[15]  H.-T.  Chou,  N.-N.  Wang,  H.-H.  Chou,  and  J.-H.  Qiu,
“An  Effective  Synthesis  of  Planar  Array  Antennas  for
Producing Near-Field Contoured Patterns,” IEEE Trans.
Antennas Propagat., vol.  59, no. 9, pp. 3224-3233, Sep.
2011. ##
[16]  P.  Lemaitre-Auger,  S.  Romain,  C.  Christophe,  and  K.
Darine,  “Circular  antenna  arrays  for  near-field  focused
or  multi-focused  beams,”  In  Electromagnetic  Theory
(EMTS),  Proceedings  of  2013  URSI  International
Symposium on, IEEE, pp. 425-428, 2013. ##
[17]  J.  L.  Gomez-Tornero,  F.  Quesada-Pereira,  A.
Alvarez-Melcon,  G.  Goussetis,  A.  R.  Weily,  and  Y.  J.
Guo,  “Frequency  Steerable  Two  Dimensional  Focusing
Using  Rectilinear  Leaky-Wave  Lenses,”  IEEE  Trans.
Antennas  Propagat.,  vol.  59,  no.  2,  pp.  407-415,  Feb.
2011. ##
[18]  C.  A.  Balanis,  “Antenna  theory  analysis  and  design,”
New York (NY), Wiley, 2005. ##
[19]  M. R. Spiegel, “Mathematical handbook of formulas and
tables,” Mcgraw-Hill, New York, 1968.##