Antenas multihaz con lente de Rotman para las bandas de microondas y milimétricas realizadas en diferentes tecnologías

Abstract

[EN] Nowadays, there is a significant increment in the use of wireless communications. Due to the growing needs for bandwidth, telecommunications increasingly move to the high frequency bands of the spectrum because of the largest available bandwidth, less interference, reduced component sizes, etc. The potential commercial applications at high frequencies include satellite communications, vehicular radars, image and security systems, personal wireless devices, etc. As a result, an important research activity to understand different aspects of communications systems in the millimeter-wave frequency range is currently being done. As the frequency increases, antennas present a higher directivity, so that, in order to transmit/receive with adequate levels to/from a certain direction a radiating system be capable of produce one or more beams in a wide angular range becomes necessary. The feeding system that performs some of these tasks is based in a Beam Forming Networks (BFNs). BFNs have been traditionally manufactured using different types of transmission lines, e.g. microstrip lines or metallic waveguides; however each of them has advantages and limitations depending upon the used technology. Conversely, there are many technological and mechanical challenges when designing systems at high RF frequencies. Among the most important factors are: cost, small size requirements, need for higher system integration densities, low power consumption, low dissipation, etc. Currently, the planar technology has provided the ideal medium for the design and implementation of many circuits and systems in the microwave and millimeter-wave bands. However, this technology presents some disadvantages when used at high frequencies, so that, the search for other technologies that solve the current manufacturing problems becomes necessary. For the above reasons, in this thesis, multibeam antennas fed by Rotman lens have been designed and manufactured in the microwave and millimeter-wave bands using Substrate Integrated Waveguide (SIW) and, the more recent, gap waveguide technology. A prototype of a multibeam antenna system for tracking the POLITECH.1 pico-satellite has been designed and fabricated. This prototype will be useful as a test model for the design and manufacture of a much larger multibeam antenna system, which could be installed in the ground station located at UPV, as an alternative to current mechanical tracking systems. A prototype of a multibeam antenna using the gap waveguide technology has been designed and manufactured. This antenna proves the validity of this technology for the manufacturing of complex devices in microwave and millimeter-wave frequencies. Finally, a prototype of a Rotman lens in LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) technology, for use in the 60 GHz band has been designed. An important problem of the traditional planar-guiding technologies, such as microstrip or stripline, is the considerable amount of losses they have in the millimeter-wave range. The use of gap waveguide technology in the designed prototype allows the reduction of insertion losses at milimeter-wave frequencies.

[ES] Actualmente existe un significativo interés en el uso de las comunicaciones inalámbricas. Debido a las crecientes necesidades de ancho de banda, las telecomunicaciones se mueven cada vez más a las bandas de altas frecuencias del espectro radioeléctrico por el mayor ancho de banda disponible, menor interferencia, componentes de tamaños reducidos, etc. Las potenciales aplicaciones comerciales en alta frecuencia incluyen comunicaciones satelitales, radares vehiculares, sistemas de imagen y seguridad, dispositivos inalámbricos personales, etc. Como resultado, se está realizando una significativa actividad investigadora para entender diferentes aspectos de los sistemas de comunicaciones en el rango de frecuencias de las ondas milimétricas. A medida que la frecuencia se incrementa, las antenas presentan más directividad, por lo que, para transmitir/recibir con garantía hacia/desde una determinada dirección es necesario que el sistema radiante que sea capaz de producir una más haces que puedan ser apuntados en un amplio margen angular. El sistema de alimentación que realizará alguna de estas tareas estará basado en una red de conformado de haz o BFN (Beam Forming Networks), las cuales tradicionalmente, han sido construidas utilizando diferentes tipos de líneas de transmisión, como por ejemplo líneas microstrip o guías de onda; sin embargo cada una de ellas tiene las ventajas y limitaciones propias de la tecnología empleada. Por otro lado, hay muchos retos tecnológicos y mecánicos para diseñar sistemas de RF en altas frecuencias. Entre los factores más importantes están; coste, requisitos de tamaño reducido, necesidad de mayores densidades de integración del sistema, bajo consumo, baja disipación, etc. Actualmente, las tecnologías planares han suministrado el medio ideal para el diseño e implementación de muchos circuitos y sistemas en la banda de microondas y milimétricas. Sin embargo, esta tecnología presenta algunas desventajas para su uso en altas frecuencias que hacen necesaria la búsqueda de otras tecnologías que permitan solucionar los problemas de fabricación actuales. Por las razones mencionadas, en este trabajo se diseñan y construyen antenas multihaz alimentadas con lente de Rotman para su uso en las bandas de microondas y ondas milimétricas, utilizando nuevas tecnologías de guiado como son: la tecnología de guía de onda integrada en substrato SIW (Substrate Integrated Waveguide) y la más reciente tecnología de guías de onda "gap waveguide". Se ha diseñado y construido un prototipo de antena multihaz para el sistema de seguimiento del pico-satélite POLITECH.1. Esta prototipo de antena servirá como modelo de prueba para el diseño y fabricación de un sistema de antena multihaz mucho mayor, que podría ser instalado en la estación terrena ubicada en la UPV, como una alternativa al sistema mecánico de seguimiento que se tiene actualmente. Se ha diseñado y construido un prototipo de antena multihaz utilizando la tecnología "gap waveguide", que permite demostrar que dicha tecnología es una buena alternativa para la construcción de dispositivos complejos en frecuencias de microondas y ondas milimétricas. Finalmente, se ha diseñado un prototipo de lente de Rotman, en tecnología LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) para su uso en aplicaciones en la banda de 60 GHz. Un problema importante que tienen las tecnologías tradicionales de guiado, como microstrip y stripline es que presentan demasiadas pérdidas en este rango de frecuencias. Por lo tanto, el prototipo utiliza la tecnología gap waveguide que permite disminuir las pérdidas de inserción en frecuencias de ondas milimétricas.

[CA] Actualment existeix un significatiu interès en l'ús de comunicacions sense fil. Degut a les creixents necessitats d'ample de banda, les telecomunicacions es mouen cada vegada més a les bandes d'altes freqüències de l'espectre radioelèctric pel major ample de banda disponible, menor interferència, components de mida reduïda, etc. Les potencials aplicacions comercials en alta freqüència inclouen comunicacions via satèl·lit, radars vehiculars, sistemes d'imatge i seguretat, dispositius sense fils personals, etc. Com a resultat, s'està realitzant una significativa activitat investigadora para tal d'entendre diferents aspectes dels sistemes de comunicacions en el rang de freqüències d'ones mil·limètriques. A mesura que la freqüència s'incrementa, les antenes presenten més directivitat, raó per la qual, per tal de transmetre/rebre amb garanties cap a/des d'una determinada direcció, és necessari que el sistema radiant continue sent capaç de produir un o més feixos que puguen ser apuntats en un marge angular ample. El sistema d'alimentació que realitzarà alguna d'estes tasques estarà basat en una xarxa de feix conformat o BFN (Beam Forming Networks) les quals, tradicionalment, han sigut construïdes utilitzant diferents tipus de línies de transmissió com, per exemple, línies microstrip o guies d'ona; no obstant això cada una d'elles té els avantatges i limitacions pròpies de la tecnologia empleada. Per altra banda, n'hi ha molts reptes tecnològics i mecànics per tal de dissenyar sistemes de RF a altes freqüències. Entre els factors més importants estan; el cost, els requisits de mida reduïda, la necessitat de majors densitats d'integració del sistema, el baix consum, la baixa dissipació, etc. Actualment, les tecnologies planars han subministrat el medi ideal per el disseny i implementació de molts circuits i sistemes en la banda de microones i mil·limètriques. No obstant, esta tecnologia presenta alguns desavantatges para al seu ús a altes freqüències que fan necessària la recerca d'altres tecnologies que permeten solucionar els problemes de fabricació actuals. Por les raons mencionades, en aquesta tesi es dissenyen i construeixen antenes multifeix alimentades amb lent de Rotman per al seu ús en les bandes de microones i d'ones mil·limètriques, utilitzant noves tecnologies de guiat como són: la tecnologia de guia d'ona integrada en substrat SIW (Substrate Integrated Waveguide) i la més recent tecnologia de guies d'ona gap waveguide. S'ha dissenyat i construït un prototipus d'antena multifeix per al sistema de seguiment del pico-satèl·lit POLITECH.1. Aquest prototipus d'antena servirà com a model de prova per al disseny i fabricació d'un sistema d'antena multifeix molt major, que podria ser instal·lat a l'estació terrena ubicada en la UPV, com alternativa al sistema mecànic de seguiment que es té actualment. Utilitzant la ecnologia gap waveguide, s'ha dissenyat i construït un prototipus d'antena multifeix que permet demostrar que aquesta tecnologia es una bona alternativa per a la construcció de dispositius complexos a freqüències de microones i d'ones mil·limètriques. Finalment, s'ha dissenyat un prototipus de lent de Rotman, en tecnologia LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) per al seu ús en aplicacions en la banda de 60 GHz. Un problema important que tenen les tecnologies tradicionals de guiat, com microstrip i stripline, és que presenten massa pèrdues en aquest rang de freqüències. Per tant, el prototipus utilitza la tecnologia gap waveguide que permet disminuir les pèrdues d'inserció a freqüències d'ones mil·limètriques.