Gap Waveguide Array Antennas and Corporate-Feed Networks for mm-Wave band Applications

Abstract

[ES] Esta tesis aborda temas de especial interés en el diseño de antenas en la banda de milimétricas. Hui en dia, implementar components passius per a operar en la banda de mil·limètriques i assegurar el contacte i l'alineament metàl·lic apropiat entre peces, resulta un desafiament complex. Habitualment les línies de transmissió i les guies d'ones metàl·liques són les solucions adoptades, però en el primer cas es presenten pèrdues al ser solucions impreses i en el segon cas un mal contacte metàl·lic comporta fugues de camp. Per tant, s'estan explorant nous conceptes que solucionen estos problemes.

La tecnología Gap Waveguide (GW) resulta adecuada ya que no requiere de contactos metálicos. En los últimos años han surgido las agrupaciones de antenas basadas en la tecnología Gap Waveguide y son un candidato prometedor para satisfacer algunas de las necesidades mencionadas. La tecnología GW ha demostrado ser atractiva para dispositivos de milimétricas porque permite redes de distribución completamente metálicas de una manera más simple que las guías de onda convencionales. Por tanto, estas redes tienen muy bajas pérdidas pero además son simples de fabricar. Esto es posible gracias a la capacidad de las GW de confinar de forma segura la propagación de ondas electromagnéticas por medio de una estructura que no requiere de contacto.

Durante la última década, se han hecho avances importantes en la tecnología GW y en la literatura se pueden encontrar un buen número de antenas basadas en GW. Esta tesis va un paso más allá en la contribución de este tipo de antenas. Aquí, no solo se presentan antenas con polarización lineal, como suelen ser las desarrolladas hasta ahora, sino también con polarización dual, circular y duales en banda. Estas aportaciones son especialmente atractivas dentro del campo de las comunicaciones por satélite en movimiento (SATCOM on-the-move). Además, se han explorado nuevas redes de distribución que permiten antenas planas más compactas, más ligeras.

[CA] Esta tesi aborda temes d'especial interés en el disseny d'antenes en la banda de mil.limètriques. Hui en dia, implementar components passius per a operar en longituds d'onda tan xicotetes (de l'orde de mil.límetres) i assegurar el contacte i l'alineament metàl-lic apropiat entre peces, resulta un desafiament complex. Habitualment les línies de transmissió i les guia d'ones metàl.liques són les solucions adoptades, però en el primer cas es presenten pèrdues al ser solucions impreses i en el segon cas un mal contacte metàl.lic comporta fugues de camp. Per tant, s'estan explorant nous conceptes que solucionen estos problemes.

La tecnologia Gap Waveguide (GW) resulta adequada ja que no requerix de contactes metàl.lics. En els últims anys han sorgit les agrupacions d'antena basades en la tecnologia Gap Waveguide i són un candidat prometedor per a satisfer algunes de les necessitats mencionades. La tecnologia GW ha demostrat ser atractiva per a dispositius de banda d'ones mil-limètriques perquè permet xarxes de distribució completament metàl-liques d'una manera més simple que les guies d'onda convencionals. Per tant estes xarxes tenen baixes pèrdues peró, a més, són simples de fabricar. Açò és possible gràcies a la capacitat de les GW de confinar de forma segura la propagació d'ones electromagnètiques per mitjà d'una estructura que no requerix de contacte.

Durant l'última dècada, s'han fet avanços importants en la tecnologia GW i en la literatura es poden trobar un bon nombre d'antenes basades en GW. Esta tesi va un pas més enllà en la contribució d'este tipus d'antenes. Ací, no sols es presenten antenes amb polarització lineal com solen ser les desenrotllades fins ara, sinó també antenes amb polarització dual, circular i inclús antenes duals en banda. Estes aportacions són especialment atractives dins del camp de les comunicacions per satèl.lit en moviment (SATCOM on-the-move). A més també s'han explorat noves xarxes de distribució que permeten obtindre antenes planes més compactes, més lleugeres.

[EN] This thesis deals with topics of special interest regarding the design of antennas at the mm-wave band. Today, implementing passive components that operate in the mm-wave band and to ensure the appropriate metallic contact is challenging. Commonly, conventional planar transmission lines and hollow metallic waveguides are the usual solutions but they present high losses or they do not ensure a good metallic contact. So, new concepts must be explored.

Gap Waveguides (GWs), result suitably since they do not require metallic contact for shielding. Antenna arrays in Gap Waveguide Technology (GW) emerges as one promising candidate to naturally meet some of the mentioned needs. GW technology has demonstrated to be effective for mm-wave band devices because it enables full-metal distribution networks in a much simpler way than conventional waveguides. Very low distribution losses can be achieved preserving at the same time the assembly simplicity of multilayer microstrip feeding networks. This unique feature is a consequence of gap waveguides ability to safely confine the electromagnetic wave propagation through a contactless structure.

During the last decade, there have been important advances in GW technology and a good number of gap waveguide-based arrays can be found in the literature. This thesis goes a step further in the contribution to mm-wave gap waveguide antennas. Here, antennas with linear polarization as well as circular or dual polarization are proposed. Dual band antennas has also been explored. These contributions have been carried out with a focus on satellite communications on-the-move. In addition, new distribution networks have also been explored to obtain more compact, low-profile and lighter antennas.