Development and optimization of reconfigurable planar lenses and reflectors

Abstract

Las antenas reconfigurables, capaces de conformar diferentes diagramas de radiación, son usadas en muchas aplicaciones de radio frecuencia. Entre las distintas antenas, los arrays de reflectores y las lentes reconfigurables son interesantes debido a la ausencia de red de distribución, que ahorra en costes y complejidad de fabricación. Además, el método de onda guiada permite que dichos arrays sean diseñados de forma modular: los elementos radiantes y los desfasadores son optimizados independientemente. Para obtener la mejor capacidad de reconfiguración, el desfasador debe ser continuo, ofreciendo un rango de control de fase completo, con bajas pérdidas inserción y variación de las mismas, manteniendo un tamaño de circuito pequeño que permita reducir la separación entre los elementos del array. Los desfasadores basados en reflexión (RTPS) usando varactores como cargas ajustables ofrecen buenas características pero necesitan mejoras, ya que las implementaciones tradicionales son costosas, provocan incremento del tamaño de circuito o requieren elementos concentrados cuyos parásitos deterioran el rendimiento. Para solucionarlo, esta tesis introduce el acoplador híbrido transformador de impedancia compleja, capaz de realizar el rol de un híbrido de coeficiente de acoplamiento arbitrario junto a la adaptación de dos impedancias complejas en cada par de puertos aislados. La elección de la impedancia de adaptación define el rendimiento del desfasador, permitiendo elegir diferentes distintas soluciones con relaciones de compromiso entre rango de control de fase y pérdidas, mientras se mantiene un circuito compacto. Esta estructura es utilizada para fabricar un prototipo de desfasador a 9 GHz, obteniendo un rango de fase de 180º, que triplica la que se obtendría con el mismo varactor y una topología básica, a la vez que se mantiene una variación de pérdidas por debajo de 2.2 dB. Se obtuvo una mayor reducción de las pérdidas a 1.2 dB utilizando resistencias en paralelo, que se habría reducido a 0.3 dB de no ser por sus parásitos. Una celda de array reflector se diseña típicamente a incidencia normal, pero se demuestra que la adaptación empeora a medida que el ángulo de incidencia de la onda incidente aumenta, afectando potencialmente al comportamiento del desfasador. Es por tanto necesario tener los ángulos de incidencia para lograr adaptación adecuada en cada elemento del array. También se observó que empleando el desfasador por reflexión como red de un solo puerto encaja de mejor manera en el array reflector, y consigue mejoras adicionales en rango de fase y pérdidas, superando las obtenidas por dos RTPS en cascada. Se fabricó un prototipo a 9 GHz, consiguiendo un rango de control de fase de 320º, con unas pérdidas de 3.4 a 5.2 dB, cuya variación puede ser reducida a 1 dB sin afectar al rango de fase si se incorpora una única resistencia en paralelo. Con estos medios, se fabricó un array reflector reconfigurable de 4×4 elementos, logrando barrido de haz de -10º a 30º en acimut y de -20º a 20º en elevación. En las lentes de array, comunicar la entrada y salida en el método de onda guiada requiere capas adicionales, estructuras más complejas o mayor separación entre elementos. Esta tesis propone en su lugar conectarlas mediante el uso de guía de onda integrada en sustrato, realizando la primera lente de array en dicha tecnología. Asimismo, se presenta un desfasador en SIW basado en ranuras inclinadas cargadas que reemplaza a los RTPS en SIW que se encuentran en la literatura, logrando rendimiento equivalente en una fracción de su tamaño (con una potencial reducción del 90% en longitud y del 50% en anchura). El prototipo medido proporciona a 9 GHz 180º de rango de fase con pérdidas de 4.2 a 7.5 dB. Se simula el desfasador junto a la lente de array propuesta, logrando barrido de haz. Se fabricó un prototipo de lente de array de 2×2 elementos como prueba de concepto, obteniendo una pequeña corrección del haz principal en broadside. RESUMEN (en Inglés) Reconfigurable antennas, capable of conforming different radiation patterns, are used on many radio frequency applications. From among these antennas, reconfigurable reflectarrays and array lenses are interesting due to the lack of distribution networks, which save costs and manufacturing complexity. Furthermore, the guided-wave approach to those arrays allows to perform a modular design: the radiating elements and the phase shifter are optimized independently. For the best reconfigurability capabilities, the phase shifter should be continuous, offering full phase control range, low insertion losses and loss variation, while keeping a small circuit footprint for reducing the array element spacing. Reflection-type phase shifters (RTPS) using varactors as tunable loads offer good characteristics but need improvements, as traditional implementations are costly, incur in increase of circuit size or require lumped components whose parasitics deteriorate performance. To overcome that, this thesis introduces the complex impedance transforming hybrid coupler, capable of fulfilling the role of a hybrid coupler of arbitrary coupling coefficient while matching two different complex impedances in each pair of isolated ports. The choice of the matching impedance defines the performance of the phase shifter, allowing to select trade-offs between phase control range and insertion losses, while maintaining a compact circuit footprint. This structure is employed to manufacture a phase shifter prototype at 9 GHz, obtaining a phase agility of 180º that triples that of the basic topology with the same varactor while keeping insertion loss variation below 2.2 dB. A further reduction of the insertion loss ripple to 1.2 dB is achieved employing parallel resistors, which would have been further reduced to 0.3 dB if not for their packaging parasitics. A reflectarray cell is typically designed at normal incidence, but it was shown that the matching deteriorates as the incidence angle of the impinging plane wave increases, potentially affecting the phase shifting performance. It is then necessary to take the incidence angles into account to achieve proper matching for each element of the array. It was also observed that employing the RTPS as a one port network fits a reflectarray better, and achieves additional improvements in phase agility and insertion loss, surpassing those of cascaded phase shifters. A prototype was manufactured and measured at 9 GHz obtaining a 320º phase control range with an insertion loss from 3.4 to 5.2 dB, whose variation can be further reduced to 1 dB by a single parallel resistor without affecting the phase agility. With this means, a 4×4 elements reconfigurable reflectarray was fabricated, obtaining beam steering from −10º to 30º in azimuth and from −20º to 20º in elevation. In the array lens, communicating the input and output layers in the guided-wave approach requires extra layers, more complex structures or increased element spacing. This thesis proposes instead to link them through a substrate integrated waveguide (SIW), making it the first array lens based on that technology. A novel SIW phase shifter is also posited, based on loaded tilted slots that replaces the SIW reflection-type phase shifters found in the literature, obtaining equivalent performance within a fraction of its size (with a potential reduction of 90% in length, and 50% in width). The measured prototype bestows at 9 GHz 180ºphase agility with insertion losses from 4.2 to 7.1 dB. The phase shifter is simulated in conjunction with the proposed array lens, realizing beam steering. A 2×2 elements array lens prototype was manufactured as proof of concept, achieving a small beam correction in broadside.