Radiation pattern reconfigurable microfabricated planar millimeter-wave antennas
Authors:   , Balcells Ventura Jordi 
Published: October 2023

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).
Telecommunication services and radar systems are migrating to Millimeter-wave (MMW) frequencies, where wider bandwidths are available. Such migration requires the use of different technologies with the capability to operate at the MMW frequency band (30 to 300GHz), and more specifically at Ka- (26.5 to 40GHz), V- (50 to 75GHz) and W-band (75 to 110GHz). For many applications and more concretely those where the antenna is part of a mobile device, it is targeted the use of planar antennas for their low profile and low fabrication cost. A wide variety of requirements is translated into a reconfiguration capability and low losses within each application frequency bandwidth. To deal with the mentioned challenges, the MMW antenna dimensions, together with the materials, fabrication tolerances and reconfigurability capability lead to microfabrication processes.

The aim of this thesis is the analysis of the mentioned concepts, materials, transmission lines geometries and switches in the MMW frequencies context and their final application in antenna designs compatible with microfabrication. Finally, specific designs are presented as a demonstration for three MMW applications: Satellite Communication Systems (SCS) at Ka-band, Wireless Personal Area Network (WPAN) at V-band and Automotive Radar at W-band.

The first part of this thesis consist to analyze some MMW circuit technologies. The four most used materials at MMW frequencies (Polytetrafluoroethylene or Teflon (PTFE), Quartz, Benzocyclobuten polymer (BCB) and Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC)) have been presented and compared in terms of permittivity (εr) and loss tangent (tanδ). An study of the main transmission lines attenuation (microstrip, stripline and CPW) at high frequencies is included. Finally, an overview of the RF-MEMS switches is presented in comparison with PIN diodes and FETS switches.

The second part presents different polarization and beam pointing reconfigurable array antennas. Two polarization-reconfigurable base-elements have been designed: CPW Patch antenna and 4-Qdime antenna. The first consists of a single reconfigurable element with integrated RF-MEMS switches, designed to operate at Ka- and V-band. The second antenna presented in this thesis has a composed architecture where the polarization reconfigurability is obtained by switching the phase feeding for each of the four linear polarized elements in the feed network with RF-MEMS switches. The 4-Qdime antenna has been designed to operate at V- and W-band. The two base-elements have been used to design two beam pointing reconfigurable antenna arrays. Using phased array techniques, beamsteering is computed and implemented with 1-bit discrete phase-shifter.

The final part of the thesis is focused into the fabrication tolerances and microfabrication process of Millimeter-wave antenna arrays. The fabrication tolerances have been studied as a function of the amplitude and phase errors presented at each elements array, focusing on the gain loss, beam pointing error, Half-Power Beamwidth (HPBW) error, sidelobe level error and axial ratio error. The microfabrication process for the designed antennas is presented in detail. Polarization- and pointing- reconfigurable CPW Patch antenna operating at Ka- and V- band have been fabricated in a clean-room facility at Cornell NanoScale Science & Technology Facility (CNF). The RF-MEMS switches isolation and time response have been characterized. Finally, the reflection coefficient, radiation pattern and axial ratio have been measured at Ka- and V-band for the fabricated antennas configured in Linear Polarization (LP) and Circular Polarization (CP).