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Investigations on Liquid Crystal Reconfigurable Unit Cells for mm-Wave Reflectarrays

Marin, Radu :
Investigations on Liquid Crystal Reconfigurable Unit Cells for mm-Wave Reflectarrays.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Dissertation von Radu Marin - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigations on Liquid Crystal Reconfigurable Unit Cells for mm-Wave Reflectarrays
Language: English
Abstract:

In order to meet the increasing need for cost effective antennas with pattern reconfiguration capabilities (beam steering, beam shaping), a novel approach has been investigated in this thesis. It consists in integrating a thin liquid crystal substrate with electrically tunable permittivity with a class of highly directive, planer antennas - the microstrip reflectarrays. Preliminary investigations have been conducted with fixed-beam reflectarrays, in which different feeding structures have been tested with the purpose of achieving compact and mechanically stable reflectarrays. Besides the widely used offset feed, reflectarrays with retro-directive feed and slotted waveguide array line-feed have been realized and investigated so far. To assess the phase shifting capabilities of liquid crystal reflectarray elements, in a first phase diverse unit cell configurations have been designed, investigated via electromagnetic simulations and characterized in waveguide simulators. First worldwide realizations of liquid crystal tunable microstrip reflectarray unit cells have thus been demonstrated at 35 and 77 GHz. It has been shown that it is possible to achieve adjustable phase ranges of up to 300◦ with simple microstrip configurations, like single printed patch or stacked patches. While the tunable phase range would be enough for the realization of large arrays, the reflection losses of the elements are still too high for many applications, primarily owing to the high dielectric losses of the employed liquid crystals. To fully validate the concept, after successfully testing the tunable unit cells, full scale reflectarrays with beam steering capability have been for the first time demonstrated at 35 GHz. Despite the high losses, distinct beam collimation and beam steering with large steering angles have been demonstrated. To reduce the complexity of control circuitry reflectarrays have been realized with electronic steering in one plane only. The extension to two dimensional reconfiguration has been technologically implemented, but not verified owing to prohibitive calibration times. The investigations in this thesis indicate clearly that reconfigurable liquid crystal reflectarrays are promising, easy to build, robust and cost efficient solutions for electronically reconfigurable, high-gain antennas in the mm and sub-mm wave bands. However, in order to fully exploit their application potential, liquid crystal mixtures with improved dielectric properties in the microwave region and further unit cell structures with reduced losses will have to be developed in future research.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Um dem ansteigenden Bedarf an kosteneffektiven Antennen mit rekonfigurierbarem Richtdiagramm nachzukommen, wird in dieser Arbeit ein neuartiger Ansatz untersucht. Er besteht in der Integration eines dünnen Flüssigkristallsubstrates mit einer Klasse von hochdirektiven, planaren Antennen: den gedruckten planaren Reflektoren (reflectarrays). Voruntersuchungen wurden mit Reflectarrays mit festem Hauptstrahl vorgenommen, indem unterschiedliche Speisestrukturen getestet wurden, mit dem Zweck Kompaktheit und mechanische Stabilität von Reflectarrays zu erreichen. Neben dem weit verbreiteten versetzten Speisehorn (offset feed) wurden Reflectarrays mit retrodirektiver Speiseantenne und mit linearer Schlitzhohlleiter-Gruppenantenne realisiert und untersucht. Um das Phasenverschiebungspotenzial von Flüßigkristall-Reflectarrayelementen zu bewerten, wurden in einer ersten Phase unterschiedliche Elementarzellenkonfigurationen mittels elektromagnetischer Simulationen untersucht und in einem Hohlleiteraufbau charakterisiert. Weltweit wurden die erste Realisierungen und Charakterisierungen von steuerbaren Reflectarray-Elementarzellen auf Basis von Flüßigkristallen bei 35GHz und 77GHz demonstriert. Es wurde gezeigt, dass die Möglichkeit besteht, die Phase der reflektierten Welle in einem Intervall von bis zu 300◦ mit einfachen Mikrostreifenstrukturen, wie z.B. einzelnen oder gestapelten Patches, einzustellen. Dieses Steuerintervall wäre ausreichend für die Realisierung großer Reflectarrays. Allerdings sind die hohen Reflexionsverluste der Elementarzellen, die hauptsächlich auf dielektrische Verluste der benutzten Flüßigkristalle zurückzuführen sind, noch kritisch für viele Anwendungen. Nach erfolgreichem Testen der Elementarzellen wurden zur Validierung des Konzepts weltweit erstmals Reflectarrays mit elektronischer Strahlschwenkung basierend auf Flüßigkristallen bei 35GHz demonstriert. Trotz der hohen Verluste der Elementarzellen, wurde gezeigt, dass es möglich ist den Hauptstrahl zu fokussieren und in einem großenWinkelbereich zu schwenken. Zur Reduzierung der Komplexität der Steuerschaltung wurden nur Reflectarrays mit Strahlschwenkung in einer Ebene realisiert. Die Ausweitung auf Hauptstrahlsteuerung in zwei Dimensionen wurde zwar technologisch implementiert, aber nicht verifiziert aufgrund der zur Zeit noch unvertretbar langen Messzeiten. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass Flüßigkristallreflectarrays eine einfache, robuste und kosteneffektive Lösung für elektronisch rekonfigurierbare, hochdirektive Antennen im Millimeter- und Mikrometerwellenbereich darstellen. Allerdings müssen weitere Verbesserungen der dielektrischen Eigenschaften der Flüßigkristallmischungen im Mikrowellenbereich erzielt und geeignete Elementarzellenstrukturen entwickelt werden um das ganze Anwendungspotential für steuerbare Reflectarrays auszuschöpfen.German
Uncontrolled Keywords: reflectarray, liquid crystal, electronically reconfigurable antenna, tunable microstrip patch
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
reflectarray, liquid crystal, electronically reconfigurable antenna, tunable microstrip patchEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-10891
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Jakoby, Prof.-Dr. Rolf and Encinar, Prof.-Dr. Jose Antonio
Refereed: 8 February 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1089
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