Design and performance evaluation of millimeter-wave flat lens antennas for communications, radar and imaging applications

Abstract

Millimeter-wave systems introduce a set of particular severe requirements from the antenna point of view in order to achieve specific performances. In this sense, high directive antennas are required to overcome the huge extra path loss. Moreover, each particular application introduces additional requirements. For example, in very high throughput (VHT) wireless personal area networks (WPANs) communication systems at 60 GHz band beam-steering antennas are needed to deal with high user random mobility and human-body shadowing characteristic of indoor environments. Similarly, beam-steering capabilities are also needed in automotive radar applications at 79 GHz, since the determination of the exact position of an object is essential for most of the functions realized by the radar sensor. In the same way, beam-scanning, which is still commonly mechanically performed nowadays, is also needed in passive imaging systems at 94 GHz. Finally, from the integration perspective, the antennas must be small, low-profile, light weight and low-cost, in order to be successfully integrated in a commercial millimeter-wave wireless system. For these reasons, many types of antenna structures have been considered to achieve high directivity and beam-steering capabilities for the aforementioned millimeter-wave communication, radar and imaging applications at 60, 79 and 94 GHz. The most part of the currently adopted solutions are based on the expensive, complex and bulky phased-array antena concept. Actually, phased-array antenna systems can scan the beam at a fast rate. However, they require a complex integration of many expensive, lossy and bulky circuits, such as solid-state phase shifters and beam-forming networks. This doctoral thesis has contributed to the study, development, and assessment of the performance of innovative antena solutions in order to improve the existing architectures at millimeter-wave frequencies, conveniently solving the problems related specifically to short-range high data rate communication systems at 60 GHz WPAN band (including future 5G millimeter-wave systems), automotive radar sensors at 79 GHz band, and communications, radar, and imaging systems at 94 GHz. The specific goals pursued in this work, focused on defining an alternative antenna architecture able to achieve a full reconfigurable 2-D beam-scanning of high gain radiation beams at millimeter-wave frequencies, has been fulfilled. In this sense, this thesis has been mainly devoted to study in depth and practically develop the fundamental part of an innovative switched-beam antenna array concept: novel inhomogeneous gradient-index dielectric flat lenses, which, despite their planar antenna profile configurations, allow full 2-D beam-scanning of high gain radiation beams. A transversal study, going from theoretical investigations, passing by numerical analysis, new fabrication strategies, performance evaluation, and to full experimental assessment of the new antenna architectures in real application environment has been successfully carried out.

Los sistemas a frecuencias de ondas milimétricas introducen una serie de requisitos muy estrictos desde el punto de vista de la antena con el objetivo de conseguir unos rendimientos específicos. En este sentido, se requieren antenas con una muy alta directividad con tal de conseguir superar las enormes pérdidas adicionales por propagación. Además, cada aplicación en concreto introduce unos requisitos adicionales. Por ejemplo, en redes de área personal de alta velocidad para sistemas de comunicación a la banda de 60 GHz, antenas con la capacidad de reconfiguración del haz de radiación son necesarias para poder tratar la problemática de la alta movilidad de los usuarios en entornos cerrados. De la misma forma, capacidades de reconfiguración de la orientación del haz de radiación son necesarias en aplicaciones relacionadas con radar de automoción a 79 GHz, dado que la determinación de la posición exacta de un objeto es esencial para muchas de las funciones del sensor de radar. De forma muy similar, la capacidad de apuntamiento del haz, que muchas veces todavía se realiza mediante sistemas mecánicos, es también imprescindible en sistemas de escaneo para aplicaciones biomédicas y de seguridad a 94 GHz. Finalmente, desde la perspectiva de la integración, las antenas deben ser eléctricamente pequeñas, ligeras, y económicas para poder ser incorporadas a un sistema inalámbrico comercial a frecuencias de onda milimétricas. Por todos estos motivos, diferentes tipos de estructuras de antenas han sido propuestos para conseguir alta directividad, junto con capacidades de reconfiguración y apuntamiento del haz de radiación para las aplicaciones anteriormente mencionadas y descritas en la banda de 60, 79, y 94 GHz. La solución tradicionalmente adoptada en este tipo de casos està estrictamente basada en el siempre caro, complejo y aparatoso concepto del phased-array. De hecho, los phased-arrays permiten el rápido escaneo de haces de radiación de alta directividad. Sin embargo, el hecho que requieran una compleja integración de muchos y caros componentes a alta frecuencia, tales como desfasadores de estado sólido o redes de conformación, los cuales introducen ciertos niveles de pérdidas, siendo además aparatosos, hacen que esta solución resulte inviable. La presente tesis doctoral contribuye al estudio, desarrollo, y ensayo experimental del rendimiento de soluciones de antenas innovadoras para la mejora de las existentes arquitecturas de antena en la banda frecuencial de las ondas milimétricas, convenientemente solucionando los problemas asociados específicamente a los sistemas de comunicación de corto alcance y alta velocidad a 60 GHz (incluyendo los futuros sistemas 5G a milimétricas), a los sistemas de radar de automoción a 79 GHz, y a los sistemas de comunicación, radar, y escaneo para aplicaciones a 94 GHz. Los objetivos específicos perseguidos en este trabajo académico, focalizados en definir una arquitectura alternativa de antena, capaz de conseguir una completa reconfiguración y escaneo de los haces de radiación en dos dimensiones del espacio a frecuencias de onda milimétricas, se han conseguido plenamente. En este sentido, esta tesis doctoral ha sido dedicada esencialmente al estudio en profundidad y desarrollo práctico de la parte fundamental del innovador concepto del switchedbeam array: nuevas lentes dieléctricas inhomogéneas de gradiente de índice con estructura plana, las cuales, a pesar de su configuración física totalmente llana, permiten una reconfiguración total, en dos dimensiones del espacio, de haces de radiación de alta directividad. Un estudio eminentemente transversal, que abarca desde la investigación teórica, pasando por el análisis numérico, nuevas metodologías y técnicas de fabricación, evaluación de rendimientos, hasta una completa caracterización y ensayo del rendimiento en entornos reales de aplicación de las nuevas arquitecturas de antena, se ha llevado a cabo con total éxito.

Els sistemes a freqüències d'ones mil·limètriques introdueixen una sèrie de requisits molt estrictes des del punt de vista de l'antena per tal d’aconseguir uns rendiments específics. En aquest sentit, es requereixen antenes amb una alta directivitat per aconseguir superar les enormes pèrdues addicionals per propagació. A més a més, cada aplicació en concret introdueix uns requeriments addicionals . Per exemple, en xarxes d'àrea personal d'alta velocitat per a sistemes de comunicació a la banda de 60 GHz, antenes amb la capacitat de reconfiguració del feix de radiació són necessàries per tal de poder tractar la problemàtica de l'alta mobilitat dels usuaris en entorns tancats . De la mateixa manera, capacitats de reconfiguració de l'orientació del feix de radiació són necessàries en aplicacions associades a radar d'automoció a 79 GHz, donat que la determinació de la posició exacta d'un objecte és essencial per moltes de les funcions portades a terme pels ens or del radar. De forma molt similar, la capacitat d'apuntament del feix, que moltes vegades encara es realitza per mitjà de sistemes mecànics, és també imprescindible en sistemes d'escaneig per aplicacions mèdiques i de seguretat a 94 GHz. Finalment, des de la perspectiva de la integració, les antenes han de ser petites en termes elèctrics, lleugeres, i econòmiques per tal de poder ser incorporades en un sistema sense fils comercial a freqüència d'ones mil·limètriques. Per aquestes raons , diversos tipus d'estructures d'antenes han sigut proposats per aconseguir alta directivitat, conjuntament amb la capacitat d'apuntament del feix de radiació per les aplicacions anteriorment descrites a les bandes de 60, 79, i 94 GHz. La solució tradicionalment adoptada en aquests casos és estrictament basada en el sempre car, complexe, i aparatós concepte del phased-array. De fet, els phased-arrays tenen la capacitat de reconfigurar a gran velocitat feixos de radiació d'alta directivitat. Tot i això, el fet que requereixin la complexa integració de molts components cars a alta freqüència, amb certs nivells de pèrdues i aparatosos, com són els desfasadors d'estat sòlid, i les xarxes de conformació, fan d'aquesta solució inviable. La present tesis doctoral contribueix a l'estudi, des envolupament, i assaig experimental del rendiment de solucions d'antenes innovadores per tal de millorar les existents arquitectures d'antena a la banda freqüencial de les ones mil·limètriques, convenientment solucionant els problemes associats específicament als sistemes de comunicació de rang proper d'alta velocitat a 60 GHz (incloent els futurs sistemes 5G a mil·limètriques ), als sistemes de radar d'automoció a la banda dels 79 GHz, i als sistemes de comunicació, radar, i escaneig per aplicacions a 94 GHz. Els objectius específics perseguits en aquest treball acadèmic, focalitzats en definir una arquitectura d'antena alternativa, capaç d'aconseguir una completa reconfiguració i escaneig dels feixos de radiació en dues dimensions de l'espaia freqüències d'ona mil·limètriques , s'han plenament aconseguit. En aquest sentit, aquesta tesis doctoral s'ha dedicat essencialment a l'estudi en profunditat i desenvolupament pràctic de la part fonamental de l'innovador concepte del switched-beam array: noves lents dielèctriques inhomogenees de gradient d'índex amb estructura planar, les quals, tot i preservar una configuració física totalment plana, permeten una reconfiguració total en dues dimensions de l'espai de feixos de radiació d'alta directivitat. Un estudi transversal, que comprèn des de la investigació teòrica, passant per l'anàlisi numèric, noves metodologies i tècniques de fabricació, avaluació de rendiments, fins a una completa caracterització i assaig del rendiment en entorns reals d'aplicació de les noves arquitectures d'antena s'ha dut a terme amb total èxit.