Development of an auto-calibrated receiver in planar technology at millimetre-wave frequencies

Abstract

This dissertation deals with the development of an auto-calibrated receiver at W-band for Passive Millimetre-Wave imaging applications. The proposed receiver has three main characteristics. Firstly, its differential configuration allows performing the internal calibration of the system. As opposed to total power receivers, this configuration reduces the effect of receiver instabilities. Secondly, it is entirely built in planar technology. As a consequence, a broadband planar antenna could be included in the same substrate resulting in a compact and light receiver. And finally, the W-band auto-calibrated receiver is based on a direct detection scheme which makes it simpler extending the number of receivers. Moreover, it uses commercially available low loss dielectric substrate and MMIC devices such as low noise amplifiers and detectors. This dissertation tackles all the required steps for the development of the W-band auto-calibrated receivers. Firstly, the theoretical analysis of the differential configuration was done highlighting its main advantages. Once this configuration was analyzed, the design of its W-band planar components, i.e. a quadrature hybrid coupler, WR10 waveguide to microstrip transition based on an E-plane probe and Vivaldi antenna fed by a slotline to microstrip transition, and the selection of the MMIC devices, i.e. low noise amplifier, reference load and detector, were carried out. Then, the analysis of the real configuration of the receiver was accomplished, identifying the effect of each component on its performance. After finishing the design, the proposed components were characterized. This process includes, as first step, the analysis of the dielectric constant and loss tangent of several substrates in order to determine their properties in the W-band. Afterwards, an inline WR10 waveguide to microstrip transition, required to characterize multiple planar devices at W-band frequencies with waveguide based measurement equipment was designed, manufactured and validated. This was the basic block used to characterize the manufactured components. Once the performance of these components was verified, the packaging metal block was designed and manufactured. It includes an innovative solution, based on a pin surface, in order to avoid the propagation of undesired modes, which can penalize the performance of the planar receiver. The experimental results prove the suppression of these cavity modes. Finally, the complete W-band auto-calibrated receiver was assembled and characterized in terms of input reflection coefficient, dynamic range, RF-DC response, effective bandwidth and equivalent noise temperature.

En esta tesis doctoral se ha desarrollado un receptor autocalibrado en banda W para aplicaciones de captación de imágenes de manera pasiva en ondas milimétricas. El receptor propuesto en esta investigación tiene tres características principales. La primera es que el receptor consta de una configuración diferencial que realiza internamente la calibración del sistema. Además, a diferencia de los receptores de potencia total, esta estructura es capaz de eliminar los problemas relacionados con las inestabilidades producidas por alguno de los componentes del receptor como, por ejemplo, los amplificadores de bajo ruido. La segunda característica es que el receptor está completamente diseñado en tecnología plana. Por lo tanto, una antena plana de banda ancha tipo Vivaldi puede ser integrada con el resto de componentes obteniendo un receptor más compacto y ligero que aquellos que utilizan componentes en guía de onda. Finalmente, el receptor está basado en detección directa, lo cuál simplifica el extender el número de receptores. Además, el receptor propuesto en banda W utiliza un sustrato comercial de bajas pérdidas y dispositivos MMIC comerciales como, por ejemplo, amplificadores de bajo ruido y detectores. Esta tesis aborda todos los pasos necesarios para el desarrollo de receptores autocalibrados en banda W. Primero, se lleva a cabo un análisis teórico de la configuración diferencial del receptor destacando sus principales ventajas. Una vez que el funcionamiento de la estructura balanceada del receptor ha sido analizado, se realiza el diseño de sus componentes microstrip y se explica la selección de sus dispositivos commerciales MMIC. Por un lado, los componentes microstrip que se diseñan son el híbrido en cuadratura, la transición de guía de onda WR10 a microstrip basada en una sonda de plano E y la antena Vivaldi alimentada por una transición de tecnología slotline a microstrip. Por otro lado, los dispositivos MMIC que se seleccionan son los amplificadores de bajo ruido, la carga de referencia y los detectores. Después, se ha analizado por simulación el receptor tratando de identificar el efecto de cada uno de sus componentes reales en su funcionamiento. Después de finalizar los diseños, los componentes propuestos son caracterizados. El primer paso de este proceso es el análisis de la constante dieléctrica y la tangente de pérdidas de varios sustratos para determinar sus propiedades en la banda W. A continuación, se diseña, fabrica y valida una transición en línea de guía de onda WR10 a microstrip necesaria para caracterizar los componentes planos del receptor con el equipamiento de medida basado en guía de onda en banda W. Este es el bloque básico utilizado para caracterizar ´ los componentes fabricados, por ejemplo, el híbrido en cuadratura, la antena Vivaldi y la carga de referencia. Una vez que sus funcionamientos han sido verificados, se ha llevado a cabo el diseño y fabricación del bloque metálico que contiene todos los componentes del receptor, incluyendo los circuitos DC necesarios para alimentar los amplificadores y adecuar las señales de salida. Este bloque metálico incluye una solución innovadora, basada en una superficie de pines, para evitar la propagación de modos de cavidad que pudieran degradar el funcionamiento del receptor. Los resultados experimentales corroboran la supresión de estos modos de cavidad. Finalmente, el receptor autocalibrado en banda W ha sido fabricado, montado y caracterizado mediante la medida de su coeficiente de reflexión de entrada, su rango dinámico, su respuesta RF-DC, su ancho de banda equivalente y su temperatura equivalente de ruido.