Electromagnetic band gap technology for millimetre wave applications

Abstract

En esta tesis se ha estudiado el uso de estructuras Electromagnetic Bandgap (EBG) para frecuencias en la banda de las millimétricas. Estas frecuencias son muy apropiadas para aplicaciones de generación de imágenes (“imaging”) debido a las diferentes propiedades de los materiales con respecto a las que presentan a frecuencias ópticas. El uso de antenas planas para estas aplicaciones, el cual sería la opción preferida en cuanto a coste y complejidad de fabricación puede verse limitado debido a las pérdidas causadas por la excitación de ondas de sustrato. Estos problemas se pueden superar mediante el uso de la tecnología EBG, dado que dichos modos son inhibidos en estas estructuras periódicas. A pesar de que algunas demostraciones preliminares del uso de la tecnología EBG para aplicaciones de antenas ya han tenido lugar, ´estas pueden considerarse como meras pruebas de concepto. El propósito de esta tesis ha sido tratar de superar este estado inicial y utilizar configuraciones basadas en esta tecnología para el diseño de receptores. En particular, se han estudiado varios aspectos relacionados con el diseño de receptores a frecuencias de milimétricas implementando tecnología EBG. Primeramente se han estudiado las características principales de los sustratos basados en tecnología EBG. Para ello, se han considerado dos estructuras EBG, el “woodpile” y la estructura de Fan. Con respecto a los materiales dieléctricos utilizados para su construcción, se han utilizado silicio y Titanato de Zr/Sn, ZTT. El uso de un material de elevada constante dieléctrica es de gran interés, ya que permite la reducción del tamaño del EBG y el aumento de su ancho de banda. Se han estudiado tanto la impedancia de entrada como el diagrama de radiación de las configuraciones para las diferentes posiciones de un dipolo sobre el substrato EBG. Se ha encontrado que ambas características dependen fuertemente de la posición y de la orientación del dipolo con respecto de las zonas dieléctricas y de aire en la superficie de la estructura EBG. Así mismo, nuestros estudios han mostrado que el uso de materiales de alta constante dieléctrica no conlleva una disminución del tamaño de los elementos radiantes. Basándonos en estos resultados, varias configuraciones han sido estudiadas con más detalle, siendo alimentadas por una línea Coplanar Stripline (CPS). Solamente aquellas configuraciones que presentan alta impedancia de entrada pueden ser adaptadas apropiadamente, dado que la línea CPS presenta alta impedancia característica. Así mismo, el efecto de la las pérdidas de los materiales ha sido estudiado para estas configuraciones, resultando ser despreciables. Los resultados anteriores mostraron que es difícil encontrar una configuración de dipolo sobre “woodpile” que presente simultáneamente buenas características de radiación y adaptación. Por tanto, se ha propuesto una modificación de esta estructura EBG que mejora notablemente tanto el diagrama de radiación como la adaptación de la configuración inicial. Esta modificación es fácil de implementar, dado que se basa en el desplazamiento de las barras de la capa superior del woodpile. Finalmente se han diseñado dos configuraciones de receptor implementando tecnología EBG: un detector directo y un mezclador subharmónico. En ambos casos el elemento radiante consiste en un dipolo colocado sobre un “woodpile” de silicio. En el caso del detector directo, el diseño trató de conseguir la máxima sensibilidad, manteniendo al mismo tiempo un diagrama de radiación no distorsionado. Se han fabricado diversos prototipos de estas configuraciones cuyas medidas están de acuerdo con las predicciones. Con respecto al mezclador subharmónico, se diseñó para minimizar su temperatura de ruido. En este caso la mínima temperatura de ruido medida fueron 950K, a pesar de que se detectaron ciertos problemas debido a la presencia de mezclado harm´onico.

In this thesis the use of Electromagnetic Band Gap (EBG) structures in the millimetre-wave range has been studied. These frequencies are very suitable for imaging applications due to the different properties of the materials when compared with optical frequencies. The use of planar antennas for these applications, which would be the preferred option in terms of cost and fabrication complexity, can be limited by the losses due to the excitation of substrate modes. These problems could be overcome by using EBG technology, since these modes are inhibited in these periodic structures. Although some preliminary demonstrations of the use of 3D EBG structures for antenna applications had already taken place, they can be considered mainly as proof-of-concepts. The aim of this thesis was to overcome this initial status and to use configurations based on this technology in the design of receivers. In particular, several aspects related with the RF design of millimetre-wave receivers implementing EBG technology have being studied. First, the main features of EBG structures when used as substrates for dipole antennas have been analysed. Two EBG structures have been considered, namely the woodpile and the Fan structure. With respect to the dielectric materials used to build them, silicon and a high dielectric constant ceramic, Zr/Sn Titanate (ZTT), where selected. The use of a high dielectric constant material is of great interest, since it allows to reduce the size of the EBG structures and increases their bandwidth. The input impedance and the radiation pattern of the configurations have been studied for different positions of a dipole antenna on top of the EBG structures. Both features have been found to depend very strongly on the position and orientation of the dipole with respect to the dielectric and air areas of the EBG surface. Our studies also showed that the use of high dielectric constant ceramic materials does not lead to a decrease of the size of the radiating elements. Based on these results, several configurations have been studied in detail when fed by a Coplanar Stripline (CPS). Only those configurations which present high input impedance can be properly matched, since the CPS is a high characteristic impedance line. The effect of the losses of the dielectric materials has been studied and found to be negligible for these configurations. In the previous results it became clear that it is difficult to find a configuration of dipole antenna on top of woodpile structure which presents simultaneously good matching and radiation features. Thus a modified woodpile structure has been proposed which improves notably both the radiation pattern and the matching of the initial configurations. The modification of the woodpile is easy to implement, since it is based on the displacement of the bars of the top most layer of the woodpile. Finally, two receiver configurations implementing EBG technology have been designed: a direct detector and a subharmonic mixer. In both cases the radiating element consists of a dipole antenna placed on top of a silicon woodpile and the perpendicular solid-solid symmetry position was the selected radiating configuration due to its good radiation and matching features. For the direct detector, the design aimed at achieving the best sensitivity, while keeping a non-distorted radiation pattern. Prototypes of this configuration were fabricated and measured which showed good agreement with the predictions. With respect to the subharmonic mixer, it was designed to minimize its noise temperature. In this case, the minimum measured noise temperature was 950K, although some problems due to the presence of harmonic mixing were detected.