Tesis:
Development of Spatially-fed Reflective Planar Devices with Enhanced Capabilities for Emerging mm-Wave Wireless Networks based on Liquid Crystal Technology
- Autor: GUIRADO LIÑÁN, Roberto
- Título: Development of Spatially-fed Reflective Planar Devices with Enhanced Capabilities for Emerging mm-Wave Wireless Networks based on Liquid Crystal Technology
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88708/
- Director/a 1º: PÉREZ PALOMINO, Gerardo
- Director/a 2º: CARRASCO YÉPEZ, Eduardo
- Resumen: The work presented in this thesis results of an effort to improve the current capabilities and limitations of spatially-fed planar devices which are electronically reconfigurable by means of liquid crystal technology. Among the different devices that this encompasses, the focus is put on reflectarray antennas and reconfigurable intelligent surfaces, given their foreseeable usefulness in next-generation networks, which will rely on high-frequency bands.
Using liquid crystals is not the only possible way to achieve reconfigurability in these devices, since tunable surfaces based on diodes, MEMS, graphene, and other technologies have already been proposed. However, they present a set of advantages which make them unique, and that positions them as a promising alternative capable of overcoming most of the limitations that other technologies face. By means of an applied bias voltage to the liquid crystal, its anisotropic molecules rotate, which provides a change in the material permittivity. Amid other advantages, liquid crystals can operate at a wide frequency range, their manufacturing cost is low, and they provide continuous tunability. Notwithstanding, they are not free from issues, which makes them an immature technology yet. The research carried out in this work tries to shed light into these issues, and to propose and examine possible solutions.
One of these issues is the lack of unit cells exhibiting complex functionalities. In this work, a W-band reflectarray antenna based on liquid crystal which controls independent beams for orthogonal linear polarizations is designed, manufactured and measured in an anechoic chamber. The antenna provides 25dBi of gain and can scan both beams from 5 to 40 with a minimum SLL of 9dB.
Another existent limitation in liquid crystal devices operating below optical frequencies is the slow response time they exhibit, around several seconds, which comes from a thicker material cavity. During this thesis, the dynamics of the transient states of the mixtures upon changing external excitations are studied, and a model capable of predicting them is proposed. Then, three different methods to reduce such response times are proposed.
The first method consists of engineering the device biasing signals by predicting the instantaneous rotation of the molecules. The proposed approach is experimentally validated with measurements from a reflectarray antenna, achieving response time reductions up to 250X and 2X, in rising and decay transitions respectively. Unfortunately, the decay transition is the slowest and most limiting one, so another acceleration technique is desired.
The second method consists of utilizing a novel material, namely polymer network liquid crystal, instead of conventional liquid crystals. A mixture showing significant temporal reduction while providing enough dielectric tunability is proposed, and an effective anisotropic permittivity model is developed to facilitate designing structures containing it. A reflectarray cell based on polymer network liquid crystal is designed, manufactured and measured, showing decay times as low as 200ms. However, there is a trade-off between time reduction, required voltage levels and dielectric tunability, which limits its practical usefulness.
The third evaluated method consists of using dual-frequency liquid crystals, capable of fast switching both in rise and decay transitions if biasing waveforms of varying frequency are properly designed. Four of these mixtures are identified and used to manufacture periodical unit cells, which yield a measured response of 10ms in both rise and decay transitions if used together with the first method.
Finally, the suitability of liquid crystal to reconfigure an electrically large intelligent surface at 27 GHz, whose radiation can be electronically modified, is also tested. It is experimentally demonstrated that such device can improve the system-level metrics of demodulated signals by dynamically reconfiguring the beam.
RESUMEN
El trabajo presentado en esta tesis resulta de un esfuerzo para mejorar las capacidades y limitaciones actuales de dispositivos planares alimentados espacialmente y reconfigurables electrónicamente mediante cristal líquido. Entre los distintos dispositivos que esta nomenclatura engloba, se pone el foco en las antenas reflectarray y en las superficies inteligentes reconfigurables, dada su utilidad en redes de próxima generación, que usarán bandas de alta frecuencia.
El uso de cristales líquidos no es la única forma posible de lograr reconfiguración en estos dispositivos, pues se han propuesto superfícies sintonizables basadas en diodos, MEMS, grafeno y otras tecnologías. Sin embargo, estos presentan un conjunto de ventajas que los hace únicos, y que los hace capaces de superar la mayoría de las limitaciones de otras tecnologías. Mediante un voltaje aplicado al cristal líquido, sus moléculas anisótropas pueden ser rotadas, lo que proporciona un cambio en la permitividad del material. Entre otras ventajas, los cristales líquidos pueden funcionar en un amplio rango de frecuencias, su coste de fabricación es bajo y ofrecen sintonización continua. No obstante, no están exentos de problemas, lo que los convierte en una tecnología aún inmadura. Este trabajo trata de identificar estos problemas, así como de examinar posibles soluciones.
Uno de estos problemas es la falta de celdas que proporcionen funcionalidades complejas. En este trabajo se diseña, fabrica y mide en cámara anecoica una antena reflectarray de banda W basada en cristal líquido que controla independientemente haces de polarizaciones lineales ortogonales. La antena proporciona 25dBi de ganancia y puede escanear ambos haces entre 5 y 40 con un SLL mínimo de 9dB.
Otra limitación existente en los dispositivos de cristal líquido que operan por debajo de frecuencias ópticas es su tiempo de respuesta, de varios segundos, debido al grosor de la cavidad de cristal líquido. En esta tesis se estudia la dinámica del material al cambiar el voltaje aplicado, y se propone un modelo capaz de predecirlos. Luego, se proponen tres métodos diferentes para reducir dichos tiempos.
El primer método consiste en diseñar las señales aplicadas al dispositivo, prediciendo la rotación instantánea de las moléculas. El método propuesto se valida experimentalmente con una antena reflectarray, consiguiendo reducciones de tiempos en transiciones ascendentes y descendentes de hasta 250X y 2X, respectivamente. Desafortunadamente, la transición descendente es la más limitante, por lo que se requiere otra técnica de aceleración.
El segundo método consiste en utilizar cristal líquido de redes poliméricas, en lugar de cristal líquido convencional. Se propone una mezcla que reduce significativamente los tiempos a la vez que proporciona suficiente sintonización, y se desarrolla un modelo de permitividad anisotrópica efectiva para facilitar el diseño de estructuras que la contengan. Se diseña, fabrica y mide una celda reflectarray basada en cristal líquido de redes poliméricas, consiguiendo tiempos de respuesta de hasta 200 ms. Sin embargo, existe un compromiso entre la reducción del tiempo, los niveles de tensión requeridos y la sintonización, lo que limita su utilidad.
El tercer método evaluado consiste en utilizar cristal líquido de frecuencia dual, capaz de conmutar rápidamente tanto en las transiciones ascendentes como descendentes si se diseñan adecuadamente señales de control con frecuencia variable. Se identifican cuatro de estas mezclas, y se fabrican celdas periódicas con las que se obtiene una respuesta medida de 10 ms en ambas transiciones, si se utilizan junto con el primer método.
Por último, también se analiza el uso de cristal líquido para reconfigurar una superficie inteligente eléctricamente grande a 27 GHz, cuya radiación puede modificarse electrónicamente. Se demuestra experimentalmente que dicho dispositivo puede mejorar las métricas de señales demoduladas, mediante la reconfiguración del haz.