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Beam-Steering Passive Phased Array with Integrated Printed Ferroelectric Phase Shifters

Nikfalazar, Mohammad :
Beam-Steering Passive Phased Array with Integrated Printed Ferroelectric Phase Shifters.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Beam-Steering Passive Phased Array with Integrated Printed Ferroelectric Phase Shifters
Language: English
Abstract:

The phased array antenna (PAA) is a key concept in the realization of electronic beam forming and beam steering for numerous radar and communication applications such as detection and tracking, satellite communications and weather research. In on-the-move applications, where the beam of the antenna needs to be steered towards the transmitter or receiver, the phased array antennas offer a compact, fast, and compatible alternative to the mechanical beam steering. Significant research and development efforts towards the successful implementation and commercialization of cost-effective and efficient phased array antennas are currently underway. One of the most important components determining the cost and performance of the phased array antennas is the phase shifter. A number of technologies have been employed for tunable phase shifters, equipped by variable capacitors. Among other technologies, ferroelectric tunable varactors offer quick tuning, low power consumption, high durability, and adequate tunability and quality factor. In this work, the fabrication and optimization of ferroelectric varactors and their integration in a phased array antenna are discussed. In particular, barium strontium titanate (BST) material is investigated in both thin- and thick-film technologies within the framework of a number of interdisciplinary collaborations. Furthermore, thick-film technology is proposed as a low-cost and integrable solution for reconfigurable front ends. In this context, the potential of BST thick-film technology is discussed in two phase shifter structures, using the right- and left-handed loaded lines concepts. The major scientific contributions of this thesis are: First: Design and implementation of a compact phase shifter with more than 360 ° differential phase shift for two-dimensional beam steering, which enables the array to theoretically provide a semi hemisphere area coverage. The proposed left-handed phase shifter with a compact structure based on inkjet-printed thick film achieved a phase shift of 390 ° with a FoM of 38 °/dB at 12 GHz. Consequently, the left-handed phase shifter was integrated in a two-dimensional phased array antenna on a system level. The array archived a beam scanning range of up to ±25 ° in both E- and H-planes. Second: Further investigation of the feasibility of fully printed phase shifters where conductive electrodes are printed as well as the ferroelectric film. Several configurations and methods for the fabrication of fully printed phase shifters were established, offering significant performance improvement in comparison to the previously reported fully printed phase shifters. This investigation include the material processing, development, fabrication, and integration of tunable components based on inkjet- and screen-printing technologies. The fully printed phase shifter in microstrip environment achieved a phase shift of 274 ° with a FoM of 37.3 °/dB at 3 GHz. This phase shifter was implemented in a phased array with a beam scanning range reaching up to ±30 ° for operation at S-band. Third: The reduction of the biasing voltage has been investigated and demonstrated, which is essential to ease the system integration. Further investigation have been made to reduce the biasing voltage of the varactors based on the BST thick film. The available biasing voltage is limited in some particular applications. Therefore, it is important to develop technologies with functionality at low voltages. This work will reveal how the use of novel inkjet printing technology for the fabrication of metal-insulator-metal (MIM) varactors can reduce the biasing voltage of the tunable phase shifter based on BST thick film to a variable below 50V with maximum tunability of 46%, which is significant improvement in comparison to the conventional tunbale phase shifters based on BST think film with biasing voltage up to 400V. These varactors were integrated in a right-handed phase shifter at 8 GHz with a phase shift of 260 ° with a FoM of 44 °/dB. The phase shifter functionality is presented in a linear phased array antenna with a beam scanning range reaching up to ±30 °. Moreover, the array is equipped by a dielectric resonator antenna as a compact and high efficiency-radiating element. For further reduction of the biasing voltage below 5V, novel processing method based on BST thin film is presented. This method employes low resistivity oxide material as a conducting bottom layer for the MIM structure. This material has a similar lattice structure compared to the BST40:60 and hence significantly reduces the defect density. Consequently, thinner BST layer are feasible without risking high leakage currents or short circuits between the top and bottom electrodes. Reduced defect density is also, ideally, accompanied by a lower film loss tangent.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diephasengesteuerte Gruppenantenne (PAA) ist ein Schlüsselkonzeptinder Realisierung von Strahlformung und Strahlschwenkung für zahlreiche Radar- und Kommunikationsanwendungen wie Detektierung und Verfolgung, Satellitenkommunikation und Wetterforschung. In mobilen Anwendungen, bei denen der Antennenstrahl sich zum Sender oder Empfänger ausrichten soll, bieten phasengesteuerte Gruppenantennen eine kompakte, schnelle und kompatible Alternative zu mechanisch-gesteuerten Gruppenanten- nen. Aktuell gibt es vielfältige Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen mit dem Ziel einer Kosteneffizienten Implementierung und Kommerzialisierung von phasengesteuerten Gruppenantennen. Einederwichtigsten Komponenten phasengesteuerter Gruppenantennen sind die Phasenschieber, welche die KostenundLeistung der Antennemaßgeblichbeeinflussen. Mehrere unterschiedliche Technologien wurden genutzt, um steuerbare Phasenschieber zu implementieren, primär mit einfachen Varaktoren. Vielversprechend sind steuerbare Varaktoren auf der Basis von Ferroelektrika, die sich durch schnelle Steuerung, geringe Leistungsaufnahme, hohe Lebensdauer, sowieadäquate Steuerbarkeit und Gütefaktoren auszeichnen. Schwerpunkt dieser Arbeitist die Fabrikation und Optimisierung ferroelektrischer Varaktoren und ihre Integration in eine phasengesteuerte Gruppenantenne. Insbesondere wird als steuerbares Material Barium-Strontium-Titanat (BST) in Dünnfilm- und Dickfilm-Technologie untersucht. Dies erfolgt im Rahmen einer interdisziplinären Kollaboration. Weiterhin wird die Dickfilm-Technik als kostengünstige und integrierbare Lösung für rekonfigurierbare Frontends vorgestellt. In diesem Zusammenhang wird das Potential der BST-Dickfilm-Technologie in zwei neuen Phasenschieberstrukturen, mit einer linkshändigen Leitung und einer periodisch-belasteten Leitung diskutiert. Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung folgender drei Aspekten: Erstens: Entwicklung eines kompakten Phasenschiebers mit einer kontinuierlich einstellbaren differentiellen Phasenänderung von mindestens 360° für zweidimensionale Strahlsc- hwenkung. Dadurch würde theoretisch eine Anstrahlung des gesammten Halbraum ermöglicht. Der vorgestellte linkshändige Leitungs-Phasenschieber in kom- pakter Bauform basiert auf Inkjet-gedrucktem Dickfilm. Er erreicht eine Phasenverschiebung von 390° und FoM von 38°/dB bei 12GHz. Er wurde in einer zwei-dimensionalen phasengesteuerten Gruppenantenneeingesetzt, dieeinen Schwenkbereich von ±25° in beiden Achsen erreicht. Zweitens: Tiefergehende Untersuchungder Machbarkeit und Realisierung von vollständig gedruckten Phasenschiebern. Hierbei sollen die metallisch leitende Schicht sowie die Isolationsschicht in einem Druckprozess realisierbar sein. In einem weiteren Ansatz werden mehrere Konfigurationen und Methoden für die Herstellung vollständig gedruckter Phasenschieber eingeführt, welche signifikante Leistungsverbesserungen im Vergleich zu bisherigen Arbeiten bieten. Diese Untersuchung beinhaltet die Materialverarbeitung, Entwicklung, Herstellung und Integration von steuerbaren Komponenten basierend auf Inkjet- und Siebdruck-Technologie. Der vollständig gedruckte Phasenschieber, realisiert in Mikrostreifenleitungstechnik, wurde in einer phasengesteuerten Gruppenantenne mit einer Arbeitsfrequenz von 3GHz integriert. Die erreichte differenzielle Phasenänderung wurde mit 274° und einer FoM von 37.3°/dB gemessen. DadurchwurdeeineStrahlschwenkung von bis zu ±30° im S-Band erreicht. Drittens: Die Verringerung der benötigten Steuerspannungen ist unumgänglich für eine direkte System-Implementierung der steuebaren Komponenten. Weitere Untersuchungen wurden angestrebt um die Bias-Spannung der BST Dickfilm-Varaktorenzureduzieren. In manchen spezifischen Anwendungen ist die Bias-Spannung der Phasensteuerung begrenzt. Hierfüristdie Entwicklungvon Technologienmit Niederspannungs-Biaswichtig. Diese Arbeit zeigt, wie der Einsatz der neuen Inkjet-Technologie in der Herstellung von BST Metall-Isolator-Metall (MIM) Varaktoren die Bias-Spannung auf unter 50V bei einer Steuerbarkeit von 46% reduzieren kann, welches eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu konventionellen BST Dickfilm-Phasenschiebern mit Bias-Spannungen bis zu 400V darstellt. Diese Varaktoren wurden in einen rechtshändigen Phasenschieber integriert, welcher für eine Frequenz von 8GHz entworfen worden ist. Die erreichte differenzielle Phase wurde mit 260° und einer FoM von 44°/dB gemessen. Diese Phasenschieber-Funktionalität wird in einer linearen phasengesteuerten Gruppenantenne Miteinem Schwenkbereichvon ±30° präsentiert. Diese Gruppenantenne ist dar über hinaus mit dielektrischen Resonatoren, als kompakte und hoch-effiziente Abstrahlelemente, ausgestattet. Um die benötigte Steuerspannung der BST varactoren bis/unter 5V zu reduzieren, wurden neuartige Prozessansätze für die Herstellung der Komponenten untersucht. Das Verfahren basiert auf hochleitendem Oxidmaterial, welches als Unterseitenelektrode der MIM Sturktur verwendet wird. Dieses Material besitzt eine ähnliche Gitterkonstante verglichen mit BST 40:60, wodurch die Defektdichte in der BST Schicht deutlich reduziert werden kann. Demzufolge können dünnere BST Schichten realisiert werden, ohne die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen der Ober- und Unterelektrode. Darüber hinaus führt die reduktion der Defektdichte idealerweise zu einer Reduktion des Verlustwinkels.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Microwave Engineering
Date Deposited: 03 Feb 2017 11:16
Last Modified: 14 Feb 2017 09:31
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59612
Referees: Jakoby, Prof. Dr. Rolf and Alff, Prof. Dr. Lambert
Refereed: 23 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5961
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