Radiation pattern reconfigurable microfabricated planar millimeter-wave antennas

Resumen

Els serveis de telecomunicacions i sistemes radar estan migrant a freqüències mil•limètriques (MMW), on es disposa d 'una major amplada de banda i conseqüentment d'una major velocitat de transmissió de dades. Aquesta migració requereix de l'ús de diferents tecnologies amb capacitat d'operar a la banda de freqüències mil•limètriques (30 a 300 Ghz), i més concretament en les bandes Ka (26,5 - 40GHz), V (50 – 75GHz) i W (75 – 110GHz). En moltes aplicacions i sobretot en aquelles on l'antena forma part d'un dispositiu mòbil, es cerca poder utilitzar antenes planes, caracteritzades per tenir unes dimensions reduïdes i un baix cost de fabricació. El conjunt de requeriments es pot resumir en obtenir una antena amb capacitat de reconfigurabilitat i amb un baix nivell de pèrdues en cada una de les bandes de freqüència. Per tal d'afrontar aquests reptes, les dimensions de les antenes mil•limètriques, juntament amb els tipus de materials, toleràncies de fabricació i la capacitat de reconfigurabilitat ens porten a l'ús de processos de microfabricació. L'objectiu d'aquesta tesis doctoral és l'anàlisi dels conceptes mencionats, tipus de materials, geometries de línia de transmissió i interruptors, en el context de les freqüències mil•limètriques, així com la seva aplicació final en dissenys d'antenes compatibles amb els processos de microfabricació. Finalment, com a demostració s'han presentat dissenys específics utilitzables en tres aplicacions a freqüències mil•limètriques: Sistemes de Comunicació per Satèl•lit (SCS) a la banda Ka, Xarxes d'àrea personal inalàmbriques (WPAN) a la banda V i sistemes radar per l'automoció a la banda W. La primera part d'aquesta tesis consisteix en l'anàlisi d'algunes tecnologies circuitals a freqüències mil•limètriques. S'han presentat els materials més utilitzats a altes freqüències (Polytetrafluoroethylene or Teflon (PTFE), Quartz, Benzocyclobuten polymer (BCB) i Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC)) i s'han comparat en termes de permitivitat i tangent de pèrdues. També s'inclou un estudi de pèrdues a altes freqüències en les principals línies de transmissió (microstrip, stripline i CPW). Finalment, es presenta un resum dels interruptors RF-MEMS i es comparen amb els PIN diodes i els FET. En la segona part, es presenten diferents agrupacions d'antenes amb la capacitat de reconfigurar la polarització i la direcció d'apuntament. S'han dissenyat dos elements base reconfigurables en polarització: CPW Patch antena i 4-Qdime antena. La primera antena consisteix en un element singular amb interruptors RF-MEMS, dissenyada per operar a les bandes Ka i V. La segona antena consisteix en una arquitectura composta on la reconfigurabilitat en polarització s'obté mitjançant variant la fase d'alimentació de cada un dels quatre elements lineals. La fase és controlada mitjançant interruptors RF-MEMS ubicats en la xarxa de distribució. L'antena 4-Qdime s'ha dissenyat per operar en les bandes V i W. Ambdós elements base s'han utilitzat posteriorment pel disseny de dues agrupacions d'antenes amb capacitat de reconfigurar l'apuntament del feix principal. La reconfigurabilitat es dur a terme utilitzant desfasadors de fase d'1 bit. La part final de la tesis es centra en les toleràncies de fabricació i en els processo de microfabricació d'agrupacions d'antenes mil•limètriques. Les toleràncies de fabricació s'han estudiat en funció dels error d'amplitud i fase en cada element de l'agrupació, fixant-se en les pèrdues de guany, error d'apuntament, error en l'amplada de feix, errors en el nivell de lòbul secundari i en l'error en la relació axial. El procés de microfabricació de les diferents antenes dissenyades es presenta en detall. Els dissenys de l'antena CPW Patch reconfigurable en polarització i apuntament operant a les bandes Ka i V, s'han fabricat en la sala blanca del Cornell NanoScale Science & Technology Facility (CNF). Posteriorment, s'han caracteritzat l'aïllament i el temps de resposta dels interruptors RF-MEMS, i finalment, el coeficient de reflexió, el diagrama de radiació i la relació axial s'han mesurat a les bandes Ka i V per les antenes configurades en polarització lineal (LP) i circular (CP).