Contribution to the design of reconfigurable radiating devices in SIW technology for next-generation communication systems

Abstract

With the emergence of new-generation communications systems, such as the so-called 5G and beyond, the need for an increase in the performance of such systems is exposed. This increase should be reflected in higher data rates, lower latency or the possibility of higher connection density, along with other secondary factors. One feature of these new systems is the use of higher frequencies, which increase the available bandwidth. This is why the millimetre-wave frequency range (from 30 GHz to 300 GHz) is increasingly being explored. However, the devices of the state-of-the-art for working at these frequencies, whose wavelength is in the order of millimetres, need further development. This is due to the technological challenge of designing and manufacturing these devices, as the rise in frequency increases both the losses in the channel and the losses in the materials used. New devices must explore technological solutions to compensate for these losses. For example, antennas must provide high gain, through increased directivity and efficiency. However, the use of higher directivity in antennas reduces the coverage angle and requires reconfiguration schemes to redirect the beam. This thesis proposes a contribution to the design of radiating devices for state-of-the-art communication systems. For this purpose, the employment of substrate integrated waveguide (SIW) technology and its variants in the millimetre-wave frequency range will be explored for the design of low-loss and high-directivity RF devices. In addition, the incorporation of reconfigurability within the technology schemes is studied. The devices designed include both guidance components and radiating elements themselves. In this way, antenna arrays, horn antennas, phase shifters and filters with different characteristics and functionalities have been achieved. All the devices focus on the low-millimetre frequency range. In addition, certain important conclusions are listed for each work and possible lines of future research are shown. Both phase shifters and filters are essential components within the last stage in radiating devices as they control the phase shift of the electromagnetic wave and the operating frequencies without interference. For example, arrays that control the pointing angle need distribution networks with paths with a certain phase shift to achieve their function, while it is of interest to avoid interference from other frequencies outside the operating range. The design of all components at such high frequencies presents a technological challenge due to their small size, which puts cost and efficiency on either side of the balance. Therefore, the SIW technology and its variants provide a balance between these characteristics. In this thesis, the contactless SIW (CLAF-SIW) variant is exploited to develop a stacked cavity filter and several phase shifters based on different periodic unit elements with different functions. The contribution of this thesis is also in the area of radiating devices. Specifically, two different types of arrays are designed and validated. These arrays operate together with different radiating elements, being the feeding of these elements in the same phase and power. Careful distribution networks are established in several planes for different types of radiations but with a high directivity in the pointing axis. The reconfiguration of such devices is also studied. One of the above arrays shows a way to manually reconfigure different directivities in one of the array planes in a cost-effective manner. Meanwhile, a horn-fed horn with leaky antennas, which allows reconfiguration of the radiation pattern by selecting an input port in the antenna, contributes to the state-of-the-art. Alternatively, an efficient concept is shown in a last work through the electronic control of PIN diodes in radiating cells over CLAF-SIW technology, to configure dynamic metasurface antennas.

Con la aparición de sistemas de comunicaciones de nueva generación, como el denominado 5G y más allá, se expone la necesidad de un incremento de las prestaciones de dichos sistemas. Este aumento debe verse reflejado en mayor velocidad de datos, una menor latencia o la posibilidad de mayor densidad de conexiones, junto a otros factores secundarios. Una característica en la que se fijan estos nuevos sistemas es el uso de frecuencias más altas, que aumentan el ancho de banda disponible. Es por ello que cada vez es más explorado el rango de frecuencias de onda milimétrica (desde 30 GHz a 300 GHz).

Sin embargo, el estado del arte de dispositivos para trabajar en estas frecuencias, cuya longitud de onda es del orden de los milímetros, necesita de un mayor desarrollo. Esto se debe al reto tecnológico que supone el diseño y la fabricación de estos dispositivos, ya que el aumento de frecuencia incrementa tanto las pérdidas en el canal como las pérdidas en los materiales utilizados. Los nuevos dispositivos deben explorar soluciones tecnológicas para compensar estas pérdidas. Por ejemplo, las antenas deben disponer de una alta ganancia, a través de aumentar la directividad y la eficiencia. Sin embargo, el uso de mayor directividad en antenas reduce el ángulo de cobertura, necesitando además esquemas de reconfiguración para redirigir el haz.

En esta tesis se propone una contribución al diseño de dispositivos radiantes para los sistemas de comunicación de última generación. Para ello, se explorará el uso de la tecnología Substrate Integrated Waveguide (SIW) y sus variantes en el rango de frecuencias de onda milimétrica, de cara al diseño de dispositivos RF de bajas pérdidas y alta directividad. Además, se estudia la incorporación de la reconfigurabilidad dentro de los esquemas de la tecnología.

Los dispositivos diseñados abarcan tanto componentes de guiado como elementos radiantes propiamente dichos. De esta forma, se han conseguido arrays de antenas, antenas de bocina, desfasadores y filtros con diferentes características y funcionalidades, todos ellos centrados en el rango bajo de frecuencias milimétricas. Además, de cada trabajo se listan ciertas conclusiones importantes y se muestran posibles líneas de investigación futuras.

Tanto los desfasadores como los filtros son componentes esenciales dentro de la última etapa en los dispositivos radiantes, ya que controlan el desfase de la onda electromagnética y las frecuencias de operación sin interferencias. Por ejemplo, los arrays que controlan el ángulo de apuntamiento necesitan redes de distribución con caminos con cierto desfase para conseguir su función, mientras que es interesante evitar interferencias de otras frecuencias fuera del rango de operación.

El diseño de todos los componentes a tan alta frecuencia presenta un reto tecnológico por su reducido tamaño, que obliga a equilibrar el coste y la eficiencia. Por ello, la tecnología SIW y sus variantes proporcionan un balance entre estas características. En esta tesis, se aprovecha además la variante Contactless SIW (CLAF-SIW) para desarrollar un filtro de cavidades apiladas y varios desfasadores basados en diversos elementos unitarios periódicos con diferentes funciones.

La contribución de esta tesis también se produce en los dispositivos radiantes. Concretamente, se diseñan y validan dos tipos diferentes de arrays. Estos hacen funcionar de forma conjunta diferentes elementos radiantes, siendo la alimentación de estos elementos en la misma fase y potencia. Se establecen cuidadosas redes de distribución en varios planos para diferentes tipos de radiación, pero con una alta directividad en el eje de apuntamiento.

La reconfiguración de este tipo de dispositivos también es estudiada. Uno de los arrays anteriores muestra una forma de reconfigurar manualmente diferentes directividades en uno de los planos del array de una forma económica. Mientras tanto, una bocina alimentada por antenas con fugas, que permite reconfigurar el diagrama de radiación seleccionando un puerto de entrada en la antena, contribuye al estado del arte. Alternativamente, un concepto eficiente se muestra en un último trabajo a través del control electrónico de diodos PIN en celdas radiantes sobre tecnología CLAF-SIW, para configurar dynamic metasurface antennas.