Gain–Bandwidth Enhancement of Fabry–Pérot Cavity Antennas Using Geometry-Induced Phase Control. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF KFUPM_Thesis_desertation_Template_Malak_Final (1).pdf Restricted to Repository staff only until 20 January 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تُعدّ هوائيات تجويف فابري–بيرو (FPC) من الحلول الواعدة في أنظمة الموجات المليمترية نظرًا لقدرتها على تحقيق كسب عالٍ، وانخفاض الارتفاع، والتوافق مع تقنيات التصنيع المطبوعة. وعلى الرغم من تطوّر أساليب تحسين عرض النطاق باستخدام الأسطح العاكسة جزئيًا متعددة الطبقات أو الأسطح المتدرجة في الطور، فإن تأثير انحناء سطح PRS كآلية هندسية للتحكم في الطور ما زال غير مدروس بشكل منهجي. وبشكل خاص، لم يتم توصيف الدور المشترك لارتفاع التجويف $h$ ونصف قطر الانحناء $R$ في تشكيل رنين فابري–بيرو واستقرار الكسب وعرض النطاق عند 3 dB.يتناول هذا البحث دراسة هوائيات فابري–بيرو ذات أسطح PRS مستوية وأسطوانية وكروية من خلال تحليل طور موجّه بالهندسة ومدعوم بمحاكاة كاملة الموجة باستخدام برنامج CST. كما تم تطوير إطار حسابي باستخدام MATLAB لتحليل طور الرحلة الكاملة، وعدد الانعكاسات المدعومة، وشدة المجال داخل التجويف لمختلف تراكيب $(R,h)$، اعتمادًا على معاملات الانعكاس المستخرجة من محاكاة الخلية الواحدة. وتُظهر النتائج أن انحناء سطح PRS يولّد تدرجًا مضبوطًا في الطور يخفف من شرط الرنين الصارم في الهوائيات المستوية ويُحسّن استقرار الكسب عبر التردد. حيث تحقق القيم الكبيرة لنصف القطر ($R/\lambda_0 \gtrsim 4.5$) أعلى كسب (حتى 14.4 dBi)، في حين يؤدي الانحناء الأقوى ($R/\lambda_0 \approx 2.8$) إلى توسيع عرض النطاق عند 3 dB (حتى 25\%) على حساب الكسب الأعظمي. كما تبيّن أن الارتفاعات المتوسطة للتجويف ($h/\lambda_0 \approx 0.45$--$0.55$) تمثل المنطقة المثلى التي تحقق توازنًا فعّالًا بين الكسب وعرض النطاق، مما يوفّر إرشادات تصميم عملية لهوائيات فابري–بيرو المنحنية في تطبيقات الموجات المليمترية.

English Abstract

Fabry--Pérot cavity (FPC) antennas are attractive for millimeter-wave (mmWave) systems due to their high gain, low profile, and compatibility with printed fabrication technologies. While previous studies have reported bandwidth enhancement using multilayer partially reflective surfaces (PRS), phase-gradient metasurfaces, and shaped reflectors, the influence of PRS curvature as a geometry-driven phase-control mechanism remains insufficiently understood. In particular, the joint role of cavity height $h$ and curvature radius $R$ in shaping the Fabry--Pérot resonance, gain stability, and 3-dB gain bandwidth (GBW) has not been systematically investigated. This thesis examines flat, cylindrical, and spherical PRS-based FPC antennas using a geometry-guided phase analysis supported by full-wave CST simulations. A MATLAB-based parametric framework is employed to study the effective round-trip phase, supported reflection order, and relative cavity field strength for different $(R,h)$ combinations, using reflection magnitude and phase extracted from CST unit-cell simulations. The results show that PRS curvature introduces a controlled phase variation across the aperture that relaxes the strict single-height resonance condition of planar FPC antennas and improves gain stability over frequency. Large radii ($R/\lambda_0 \gtrsim 4.5$) approach planar behavior and maximize peak gain (up to 14.4~dBi), whereas stronger curvature ($R/\lambda_0 \approx 2.8$) broadens the 3-dB GBW (up to 25\%) at the expense of peak gain. An optimal design region is identified for moderate cavity heights ($h/\lambda_0 \approx 0.45$--$0.55$), where multi-reflection reinforcement is preserved and a balanced trade-off between gain and bandwidth is achieved. These findings provide practical design guidelines for optimizing curved PRS Fabry--Pérot antennas in mmWave applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Algarni, Abdullah
Committee Co-Advisor:	Attia, Hussain
Committee Members:	Alharbi, Fahhad
Depositing User:	MALAK NEYAZI (g202302470)
Date Deposited:	20 Jan 2026 12:09
Last Modified:	20 Jan 2026 12:09
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144038