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Tunable Metamaterial Leaky Wave Antenna based on Microwave Liquid Crystal Technology

Roig Parras, María :
Tunable Metamaterial Leaky Wave Antenna based on Microwave Liquid Crystal Technology.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Tunable Metamaterial Leaky Wave Antenna based on Microwave Liquid Crystal Technology
Language: English
Abstract:

In this work, a continuously electrically tunable metamaterial leaky wave antenna for Ka-band applications is designed, manufactured and investigated, which features one dimensional beam steering capabilities.

The antenna concept is developed based on the theory of leaky wave antennas and metamaterials. Leaky wave antennas provide low profile and high directivity while metamaterials offer design flexibility by means of dispersion engineering. Additionally, liquid crystal is employed as tunable material to achieve voltage tunable beam scanning. The design, implementation and characterization of the voltage tunable metamaterial unit cell that makes up the leaky wave antenna is described in detail. The design and analysis of the dispersion characteristic of the unit cell is based on equivalent circuit, analytical and full-wave models. Moreover, tunability and loss analysis as well as far field investigations are carried out.

Since technological constraints limit the feasibility of the unit cell, their influence on the design and fabrication process of the antenna is analyzed. Considering these constraints, a fabrication process that combines microwave structures with resistive voltage biasing networks and liquid crystal cavities is developed in this work. Different manufactured antenna prototypes are presented. A magnetically biased leaky wave antenna, which uses a static magnetic field to achieve a beam steering at 27 GHz is used to demonstrate and investigate the proposed unit cell concept. In addition, an electrically biased leaky wave antenna, where the orientation of liquid crystal molecules is changed by a tuning voltage that yields voltage beam scanning capability around 27 GHz is developed. Simulation, vectorial network analysis and far field measurement results of both prototypes are compared and a detailed analysis of the magnetic and electric biasing techniques is presented. Response time investigations are carried out for the manufactured voltage tunable leaky wave antenna and the liquid crystal material utilized in this work.

The presented electrically tunable metamaterial leaky wave antenna concept in combination with the fabricated prototypes demonstrates that the usage of continuously tunable metamaterials is a solid option for the realization of leaky wave antennas with a low profile at the Ka-Band. Moreover, due to the good electromagnetic properties of liquid crystal material at higher frequencies, the presented antenna concept and design methods can be applied for frequencies up to 4 THz, which is of particular importance for current and future applications in modern wireless communication systems.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit werden kontinuierlich elektrisch abstimmbare Metamaterial-Leckwellenantennen für Ka-Band-Anwendungen mit eindimensionaler Strahl- schwenkung entworfen, hergestellt und untersucht. Das entwickelte Antennenkonzept basiert auf der Verknüpfung von Leckwellenantennen und Metamaterialien. Leckwellenantennen bieten eine hohe Direktivität bei geringer Bauhöhe während Metamaterialien Flexibilität im Entwurfsprozess anhand ihrer Dispersionseigenschaften ermöglichen. Zusätzlich wird durch Einsatz von Flüssigkristallen als steuerbares Material eine spannungsgesteuerte Strahlschwenkung erreicht. Entwurf, Implementierung und Charakterisierung von spannungsgesteuerten Metamaterial-Einheitszellen, aus denen die Leckwellenantenne besteht, werden detailliert beschrieben. Der Entwurfsprozess und die Analyse der Dispersionseigenschaften sowie der Steuerbarkeit von Einheitszellen werden anhand von Ersatzschaltbildern und analytischen sowie Vollwellen-Modellen durchgeführt. Weiterhin werden Toleranz- und Verlustanalysen sowie Fernfelduntersuchen durchgeführt. Außerdem werden technologische Randbedingungen, die die Realisierbarkeit der untersuchten Einheitszellen einschränken, sowie der Einfluss von Entwurfs- und Herstellungstoleranzen auf die Antenne untersucht. Darüber hinaus wird ein Herstellungsprozess zur Kombination der Mikrowellenstrukturen mit resistiven Speisenetzwerken und Flüssigkristallkavitäten umfassend untersucht und in dieser Arbeit vorgestellt. Verschiedene aufgebaute Antennenprototypen werden präsentiert. Anhand einer magnetisch steuerbaren Leckwellenantenne für 27 GHz, welche ein statisches Magnetfeld zur Strahlschwenkung benutzt, wird das vorgestellte Einheits- zellen-Konzept demonstriert und untersucht. Zusätzlich wird eine elektrisch steuerbare Leckwellenantenne präsentiert, bei der die Orientierung von Flüssig- kristallmolekülen und damit eine Strahlschwenkung bei etwa 27 GHz durch Anlegen einer variablen Spannung realisiert wird. Simulationsergebnisse, vektorielle Netzwerkanalysen und Fernfeldmessungen beider Prototypen werden verglichen und eine detaillierte Analyse der magnetischen sowie elektrischen Steuerung durchgeführt. Darüber hinaus werden die Steuerzeiten der aufgebauten elektrisch steuerbaren Leckwellenantenne mit dem in dieser Arbeit verwendeten Flüssigkristall ermittelt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte in Verbindung mit gefertigten Prototypen zeigen, dass der Einsatz von kontinuierlich abstimmbaren Metamaterialien eine zuverlässige Möglichkeit bietet, elektrisch steuerbare Leckwellenantennen für das Ka-Band zu realisieren. Aufgrund der guten elektromagnetischen Eigenschaften von Flüssigkristallen bei höhrenen Frequenzen, ist das dargestellte Antennenkonzept sowie Entwurfsmethoden für Frequenzen bis mindestens 4 THz anwendbar. Dies ist insbesondere für aktuelle und zukünftige Anwendungen in modernen, drahtlosen Kommunikationssystemen von großer Bedeutung.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: leaky wave antennas, metamaterials, liquid crystal, tunable antennas, tunability, Ka-Band, K-band
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
microwave engineering, antenna, satellite,beam scanning, beam forming, electrical beam scanning, beam steeringEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 000 Allgemeines, Wissenschaft
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Microwave Engineering
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Microwave Electronics
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communication Systems
Date Deposited: 16 Nov 2015 08:11
Last Modified: 16 Nov 2015 08:11
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-51365
Referees: Jakoby, Prof. Dr. Rolf
Refereed: 1 October 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5136
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