Radiation pattern reconfigurable microfabricated planar millimeter-wave antennas

Els serveis de telecomunicacions i sistemes radar estan migrant a frequencies mil•limetriques (MMW), on es disposa d 'una major amplada de banda i consequentment d'una major velocitat de transmissio de dades. Aquesta migracio requereix de l'us de diferents tecnologies amb capacitat d'operar a la banda de frequencies mil•limetriques (30 a 300 Ghz), i mes 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 mobil, es cerca poder utilitzar antenes planes, caracteritzades per tenir unes dimensions reduides i un baix cost de fabricacio. El conjunt de requeriments es pot resumir en obtenir una antena amb capacitat de reconfigurabilitat i amb un baix nivell de perdues en cada una de les bandes de frequencia. Per tal d'afrontar aquests reptes, les dimensions de les antenes mil•limetriques, juntament amb els tipus de materials, tolerancies de fabricacio i la capacitat de reconfigurabilitat ens porten a l'us de processos de microfabricacio. L'objectiu d'aquesta tesis doctoral es l'analisi dels conceptes mencionats, tipus de materials, geometries de linia de transmissio i interruptors, en el context de les frequencies mil•limetriques, aixi com la seva aplicacio final en dissenys d'antenes compatibles amb els processos de microfabricacio. Finalment, com a demostracio s'han presentat dissenys especifics utilitzables en tres aplicacions a frequencies mil•limetriques: Sistemes de Comunicacio per Satel•lit (SCS) a la banda Ka, Xarxes d'area personal inalambriques (WPAN) a la banda V i sistemes radar per l'automocio a la banda W. La primera part d'aquesta tesis consisteix en l'analisi d'algunes tecnologies circuitals a frequencies mil•limetriques. S'han presentat els materials mes utilitzats a altes frequencies (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 perdues. Tambe s'inclou un estudi de perdues a altes frequencies en les principals linies de transmissio (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 polaritzacio i la direccio d'apuntament. S'han dissenyat dos elements base reconfigurables en polaritzacio: 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 polaritzacio s'obte mitjancant variant la fase d'alimentacio de cada un dels quatre elements lineals. La fase es controlada mitjancant interruptors RF-MEMS ubicats en la xarxa de distribucio. L'antena 4-Qdime s'ha dissenyat per operar en les bandes V i W. Ambdos 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 tolerancies de fabricacio i en els processo de microfabricacio d'agrupacions d'antenes mil•limetriques. Les tolerancies de fabricacio s'han estudiat en funcio dels error d'amplitud i fase en cada element de l'agrupacio, fixant-se en les perdues de guany, error d'apuntament, error en l'amplada de feix, errors en el nivell de lobul secundari i en l'error en la relacio axial. El proces de microfabricacio de les diferents antenes dissenyades es presenta en detall. Els dissenys de l'antena CPW Patch reconfigurable en polaritzacio 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'aillament i el temps de resposta dels interruptors RF-MEMS, i finalment, el coeficient de reflexio, el diagrama de radiacio i la relacio axial s'han mesurat a les bandes Ka i V per les antenes configurades en polaritzacio lineal (LP) i circular (CP).