Tesis:
New pattern reconfiguration techniques for planar array antennas at millimetric bands
- Autor: MURIEL BARRADO, Alfonso
- Título: New pattern reconfiguration techniques for planar array antennas at millimetric bands
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73289/
- Director/a 1º: SIERRA PÉREZ, Manuel
- Resumen: It is increasingly common for new communications systems for satellite or radar applications to require more versatile antenna designs, capable of reorienting the radiation pattern in different directions with sufficient precision or changing the polarisation scheme in a controlled and agile manner. In the specific case of SATellite COMmunications (SATCOM), the migration to the use of the new Ka and K frequency bands for transmit and receive schemes, respectively, has allowed to increase the channel capacity considerably, achieving much higher transmission rates than predecessor systems.
These new frequency bands have meant a revision of the antenna designs available in the previously used satellite frequency bands (S, X or Ku band), as well as a new technological challenge in terms of design, manufacturing, and measurement. Of particular relevance is that this increase in frequency of satellite systems has unlocked the possibility of using antenna array systems (mainly planar) to achieve very high gain antennas with beam reconfiguration capability, so that they can be used as transmit/receive terminals in the ground segment in mobile satellite communications applications (“SATCOM On The Move” or SOTM), mainly due to two factors:
- The physical antenna aperture size (for a given gain) is sufficiently reduced in these bands to make the development of high gain array antennas for mobile terminals feasible.
- In addition, there is another limiting factor when it comes to exploiting higher frequency bands for reconfigurable antenna arrays, and that is the space available to integrate the necessary RF circuitry (phase shifters and/or variable gain amplifiers). Many beam reconfiguration methods present in the more classical literature will not fit at the radiating element level.
- The above points have redirected market demands, and by extension, the industry trend in antenna design for SOTM communications. This is evidenced by the numerous companies offering RF Integrated Circuits (RFICs) in their catalogues for application in the design of active antenna arrays, which can be integrated into such antennas. These circuits incorporate independent chains of digital phase shifters and variable gain amplifiers for control of pointing, polarisation, Side Lobe Level (SLL), etc.
The development and affordability of such Integrated Circuits (ICs) has led to the transition of such type of antennas from military to the civilian sector, in which they are maturing. In fact, IC developers have started to offer their own active antenna array solutions, based on their own circuits, and on printed planar technology. However, while there are many such antenna publications in the literature, few of them apply a theoretical/empirical analysis of the integrated circuits themselves, nor do they reveal information about the various errors that can arise from them.
Therefore, one of the main objectives of this doctoral thesis is to try to offer a simple analysis model capable of characterising with sufficient accuracy the integrated circuits that are shaping the current trend in active antenna design. Ultimately, this model should be able to offer the possibility of calibrating the response of the chip in amplitude and phase to suit external conditions (e.g., the bandwidth of the signal to be transmitted/received, the coupling matrix of the radiating interface, the pointing to be generated, the level of secondary lobes to be implemented, etc.).
In addition to the characterisation of the chip itself, an exhaustive study is carried out of the radiation properties of various antenna arrays of different types (8x8 elements with linear polarisation and 2x2 elements with switchable circular polarisation) connected to one of these integrated circuits. In this way, it will be possible to infer to what extent the errors present on the chip affect each of the radiation parameters of the antenna under analysis, and which radiation parameters are more critical to these errors depending on the paradigm of the antenna.
On the other hand, the decision is taken to build on and extend the experience developed over the years in the Radiation Group (GR) in the design of planar antennas fed by Radial Line for application to SATCOM in the ground segment. In this second part, the active pattern reconfiguration scheme is abandoned to explore the possibilities that Radial Line Patch Antenna (RLPA) designs offer in the K receive band (and for circular polarisation). At the cost of introducing a frequency-dependent phase error in the aperture (whose slope increases with aperture size), the complexity of the feed network is relaxed. Furthermore, subdividing the highgain antenna design into several antenna subarrays relaxes the complexity of the antenna feeding network without increasing the phase error of the antenna.
On this basis, different beam reconfiguration techniques (all of them fixed) are explored with the above-described feeding scheme. The first one achieves to adjust the radiated phase of each of the radiating elements to implement a uniform distribution by rotating the radiating elements. The proposed method is purely geometrical and does not increase the computational cost of implementation in any aspect. Moreover, it has the property of indirectly implementing a partial sequential rotation between the radiating elements, so that the axial ratio of the design will be improved. From here, the properties of these antennas are explored when the beam is steered from the uniform phase distribution.
In addition, a different scheme of feeding the radiating interface by means of a waveguide feeder is proposed, which from a WR-42 standard waveguide manages to generate the TM01 mode in an intermediate circular guide that excites the radial mode in the radial line. This provides a low-loss interface to the distribution network between antenna subarrays. With all this, the thesis is sub-divided into two distinct parts, exploring either active design solutions or passive solutions, both of which are described in the previous paragraphs.
RESUMEN
Cada vez es más habitual que los nuevos sistemas de comunicaciones para aplicaciones satelitales o de radar requieran de diseños de antenas más versátiles, capaces de reorientar el diagrama de radiación hacia distintas direcciones con suficiente precisión o de cambiar el esquema de polarización de manera ágil y controlada. En el caso concreto de las comunicaciones por satélite (SATCOM), la migración al uso de las nuevas bandas de frecuencias Ka y K para los esquemas de transmisión y recepción respectivamente, ha permitido incrementar la capacidad de canal considerablemente, logrando alcanzar tasas de transmisión mucho mayores que sistemas predecesores.
Estas nuevas bandas de frecuencias han supuesto una revisión de los diseños de antena disponibles en las bandas de frecuencias satelitales previamente utilizadas (banda S, X o Ku), además de suponer un nuevo reto tecnológico en cuestiones de diseño, fabricación y medida. Es de especial relevancia que esta subida en frecuencia de los sistemas satelitales ha desbloqueado la posibilidad de emplear sistemas de agrupaciones de antenas (principalmente planas) para lograr antenas de muy alta ganancia con capacidad de reconfiguración de haz, de tal forma que puedan ser empleadas como terminales de transmisión/recepción en el segmento terreno en aplicaciones de comunicaciones móviles por satélite (SATCOM On The Move o SOTM), debido principalmente a dos factores:
- El tamaño físico de apertura de antena (para una ganancia determinada) se reduce lo suficiente en estas bandas como para que el desarrollo de agrupaciones de antenas de alta ganancia para terminales móviles sea viable.
- Además, existe otro factor limitante cuando se trata de explotar bandas de frecuencias más altas para agrupaciones de antenas reconfigurables, y es el espacio disponible para integrar la circuitería de RF necesaria (desfasadores y/o amplificadores de ganancia variable). Muchos métodos de reconfiguración de haz presentes en la literatura más clásica no van a caber a nivel de elemento radiante.
- Los puntos anteriores han redirigido las demandas del mercado, y por extensión, la tendencia de la industria en materia de diseño de antenas para comunicaciones SOTM. Prueba de ello son las numerosas empresas que ofrecen en sus catálogos circuitos integrados de RF (RFIC) para su aplicación en el diseño de agrupaciones activas de antenas, los cuales sí que se van a poder integrar en este tipo de antenas. Estos circuitos incorporan cadenas independientes de desfasadores digitales y amplificadores de ganancia variable para control de apuntamiento, polarización, nivel de lóbulos secundarios, etc.
El desarrollo y la asequibilidad de este tipo de circuitos integrados han provocado que este tipo de antenas pasen del sector militar al sector civil, en el que están madurando. De hecho, las empresas desarrolladoras de este tipo de circuitos integrados han empezado a ofrecer sus propias soluciones de agrupaciones activas de antenas, basadas en sus propios circuitos, y en tecnología plana impresa. No obstante, y aunque la publicación de antenas de esta índole en la literatura es cuantiosa, pocas de ellas aplican un análisis teórico/empírico sobre los propios circuitos integrados, ni desvelan información acerca de los distintos errores que de ellos se pueden desprender.
Por ello, uno de los principales objetivos de la presente tesis doctoral es el de intentar ofrecer un modelo de análisis sencillo, que sea capaz de caracterizar con la suficiente precisión los circuitos integrados que están moldeando la tendencia actual de diseño de antenas activas. En última instancia, este modelo deberá ser capaz de ofrecer la posibilidad de calibrar la respuesta del chip en amplitud y fase para adecuarse a las condiciones ajenas a él (por ejemplo, la banda de la señal a transmitir/recibir, la matriz de acoplo de la interfaz radiante, el apuntamiento que se desee generar, el nivel de lóbulos secundarios que se desee implementar, etc).
Además de la caracterización propia del chip, se realiza un estudio exhaustivo de las propiedades de radiación de varias agrupaciones de antenas de distinta índole (8x8 elementos con polarización lineal y 2x2 elementos con polarización circular conmutable) que se conecta a uno de estos circuitos integrados. De esta forma, se va a poder inferir hasta qué punto los errores presentes en el chip afectan a cada uno de los parámetros de radiación de la antena bajo análisis, y qué parámetros de radiación son más críticos a estos errores según el paradigma de dicha antena.
Por otra parte, se toma la decisión de aprovechar y ampliar la experiencia desarrollada a lo largo de los años en el Grupo de Radiación (GR) en el diseño de antenas planas alimentadas en guía radial para su aplicación a aplicaciones SATCOM en el segmento terreno. En esta segunda parte, se abandona el esquema activo de reconfiguración de diagrama para explorar las posibilidades que los diseños de antenas de parche impresas alimentadas en guía radial ofrecen en la banda de recepción K (y para polarización circular). A costa de introducir un error de fase en la apertura dependiente de la frecuencia (y cuya pendiente aumenta con el tamaño de la misma) se relaja la complejidad de la red de alimentación. Además, subdividiendo el diseño de antena de alta ganancia en diversas sub-agrupaciones de antenas se logra relajar la complejidad de la red de alimentación de la antena sin incrementar el error de fase de la misma.
Partiendo de esta base, se exploran diferentes técnicas de reconfiguración de haz (todas ellas fijas) con el esquema de alimentación anteriormente descrito. La primera de ellas logra ajustar la fase radiada de cada uno de los elementos radiantes para implementar una distribución uniforme mediante la rotación de dichos elementos radiantes. El método propuesto es puramente geométrico y no incrementa en ningún aspecto el coste computacional de implementación. Además, tiene la propiedad de indirectamente implementar una rotación secuencia parcial entre los elementos radiantes, de modo que la relación axial del diseño mejorará. A partir de aquí, se exploran las propiedades de estas antenas cuando el haz se desapunta a partir de la distribución uniforme de fase.
Además, se propone un esquema diferente de alimentación de la interfaz radiante mediante un alimentador en guía de onda, que desde una guía WR-42 estándar logra generar el modo TM01 en una guía circular intermedia que excita el modo radial en la guía radial. De este modo, se tiene una interfaz de bajas pérdidas para la red de distribución entre sub-agrupaciones de antenas.
Con todo esto, la tesis se sub-divide en dos partes diferenciadas, en las que se exploran las soluciones activas de diseño, o las soluciones pasivas, ambas descritas en los párrafos anteriores.