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Liquid Crystal Dielectric Image Lines for Integrated Reconfigurable Millimeter-Wave Beamsteering Applications

Tesmer, David Henning (2023)
Liquid Crystal Dielectric Image Lines for Integrated Reconfigurable Millimeter-Wave Beamsteering Applications.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024341
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Liquid Crystal Dielectric Image Lines for Integrated Reconfigurable Millimeter-Wave Beamsteering Applications
Language: English
Referees: Jakoby, Prof. Dr. Rolf ; Vossiek, Prof. Dr. Martin
Date: 1 September 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: viii, 163 Seiten
Date of oral examination: 1 June 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024341
Abstract:

This work investigates the capabilities and performance of liquid crystal based dielectric image lines as a basis for reconfigurable millimeter-wave components and their use for beam-steerable antennas. The components, which are operated at W-band (75 GHz to 110 GHz), are designed, manufactured and characterized. The dielectric image line topology is well suited to combine the advantages of fully dielectric waveguides with the integrated character of commercial devices. Especially, the integration of liquid crystal can be easily achieved, and does not require modifying the printed circuit board on which the dielectric image line is placed. As a basis for the components, suitable materials are analyzed first, before an adaptive measurement setup is introduced. Two modes of the dielectric image line are of particular interest in this dissertation: the fundamental Ey 11-mode and the orthogonally polarized higher-order Ex 11-mode. The first components are liquid crystal phase shifters of low permittivity (εr = 2.53). In the fundamental mode, a low profile, a maximum figure-of-merit of 136 °/dB, response times of 6 s to 9 s and linear performance in a temperature range from −10° to 80° are achieved. With the orthogonally polarized mode, a higher figure-of-merit of 188 °/dB is obtained at the cost of higher response times. Utilizing a special design, the electrodes can be employed directly on the dielectric. This results in fast switch-on response times in the range of milliseconds, which is the fastest time obtained with dielectric waveguides up to today. This high decrease in switch-on response time represents a 99% and 97% improvement when compared to a fully dielectric liquid crystal phase shifter and a classic electrode placement besides the dielectric image line, respectively. On the basis of the phase shifters, reconfigurable antennas are investigated in the dielectric image line topology. With broadband rod antennas, 1×4 array demonstrators are realized. By utilizing multimode-interference for the first time in the dielectric image line topology at millimeter-waves, compact power dividers are realized. Combining the array with the aforementioned phase shifters leads to the first liquid crystal dielectric image line rod antenna phased array. It shows gain of 17 dBi to 18 dBi and has a beam steering range of ±10°. As a less complex and more narrowband alternative, a liquid crystal leaky wave antenna is introduced, too. By allowing the bias electrodes to contribute to the radiation characteristics, a simple antenna is realized, with a gain of 15 dBi, capable of scanning 10° by applying only one bias voltage. Furthermore, novel additive manufacturing techniques are evaluated to allow automated fabrication of the investigated components. An innovative guiding mechanism, which enables the combination of liquid crystal with high permittivity materials (εr = 9), is introduced as a means of enabling smaller components.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In dieser Arbeit werden dielektrische Spiegelleitungen bezüglich ihrer Tauglichkeit und Performanz für flüssigkristallbasierte Millimeterwellenkomponenten, insbesondere im Hinblick auf strahlschwenkende Antennen, untersucht. Dabei werden die im W-Band (75 GHz bis 110 GHz) betriebenen Komponenten konzipiert, hergestellt und charakterisiert. Die dielektrische Spiegelleitungstopologie ist besonders geeignet um die Vorteile dielektrischer Leitungen in einer integrierten Umgebung, wie sie beispielsweise auf kommerziellen Leiterplatten zugegen ist, umzusetzen. Besonders die Integration von Flüssigkristallen kann bei dielektrischen Wellenleitern einfach umgesetzt werden, sodass eine Platine keinerlei sondergefertigte Kavitäten oder spezielle Materialien aufweisen muss. Als Grundlage aller weiteren Entwicklungsschritte werden zunächst geeignete Materialien für die dielektrischen Spiegelleitungen selbst untersucht und ein adaptiver Messaufbau eingeführt. Besonderes Augenmerk wird auf zwei Modentypen, der Ey11 Grundmode und der orthogonal zu dieser polarisierten Ex11 Mode, gelegt. Für alle weiteren Untersuchungen bilden Flüssigkristall-Phasenschieber von niedriger Permittivität (εr = 2.53) die Grundlage. Der Demonstrator in der Grundmode weist ein geringes Profil auf und es wird eine maximale Phasenschiebergüte von 136 °/dB neben Schaltzeiten von 6 s bis 9 s erreicht. Messungen über einen Temperaturbereich von −10 °C bis 80 °C bestätigen ein lineares Verhalten des Bauteils. In der orthogonal polarisierten Mode kann eine höhere Phasenschiebergüte von bis zu 188 °/dB erreicht werden, allerdings auf Kosten der Schaltzeit. Durch ein spezielles Layout können die Elektroden auch direkt auf das Dielektrikum aufgebracht werden. Dieser Schritt erlaubt es erstmals in dielektrischen Flüssigkristallkomponenten Einschaltgeschwindigkeiten im Millisekundenbereich zu erreichen. Die Geschwindigkeitserhöhung liegt im Vergleich zu volldielektrischen Vergleichskomponenten bei 99% und zum ursprünglich in dieser Arbeit eingeführten Elektrodennetzwerk bei 97%. Um strahlschwenkende Antennen zu realisieren, werden aufgrund der Erkenntnisse zu den Phasenschiebern zunächst breitbandige Spiegelleitungs-Stabantennenarrays untersucht. 1×4 Demonstratoren werden hergestellt, wobei zum ersten Mal Multimode-Interferenz in der Spiegelleitungstopologie im Millimeterwellenbereich verwendet wird, um eine kompakte Leistungsteilung zu erreichen. Das resultierende phased array weist einen Antennengewinn von 17 dBi bis 18 dBi in einem Strahlschwenkbereich von ±10° auf und stellt das erste flüssigkristallgesteuerte Spiegelleitungsarray seiner Art dar. Um die Komplexität der Ansteuerungselektronik zu reduzieren, wird ebenfalls eine flüssigkristallbasierte Leckwellenantenne untersucht. Durch simultane Verwendung der Ansteuerungselektroden als Abstrahlelemente kann eine Antenne von geringer Komplexität realisiert werden, die einen Antennengewinn von 15 dBi aufweist, und mit nur einer Steuerspannung eine Strahlschwenkung von 10° erreicht. Zusätzlich werden zum Ende dieser Arbeit additive Herstellungsverfahren evaluiert, um die vorgestellten Konzepte industriell fertigen zu können. Dabei ist besonders ein innovativer Ansatz, der es erlaubt Flüssigkristall mit Materialien deutlich höherer Permittivität (εr = 9) zu kombinieren, hervorzuheben.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-243417
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 600 Technology
600 Technology, medicine, applied sciences > 621.3 Electrical engineering, electronics
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics (IMP) > Microwave Engineering
TU-Projects: DFG|JA921/68-1|Elektrisch steuerbar
Date Deposited: 01 Sep 2023 12:09
Last Modified: 05 Dec 2023 06:17
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24341
PPN: 511925379
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