Multi-band reflectarray antennas in Ku and THz frequency bands

144 Pages·2015·17.51 MB·English

by  Hasani, Hamed

Multi-band reflectarray antennas in Ku and THz frequency
bands
THÈSE NO 6781 (2015)
PRÉSENTÉE LE 30 OCTOBRE 2015
À L’ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE D'ELECTROMAGNÉTISME ET ANTENNES
ET
À L’INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO (IST) DA UNIVERSIDADE DE LISBOA
INSTITUTO DE TELECOMUNICAÇÕES
PROGRAMME DOCTORAL EN GÉNIE ÉLECTRIQUE
ET
DOUTORAMENTO EM ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES
POUR L’OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES (PhD)
PAR
Hamed HASANI
acceptée sur proposition du jury:
Dr S.-R. Cherkaoui, président du jury
Prof. A. Skrivervik, Prof. C. Peixeiro, directeurs de thèse
Prof. J. A. Encinar, rapporteur
Prof. Ö. A. Çivi, rapporteuse
Dr F. Rachidi, rapporteur
Suisse
2015

TomyparentsSimaandEsmaeil...

Acknowledgements
ThroughoutthesefouryearsasaPhDstudentinPortugalandSwitzerlandIhadthegreat
privilegeoflearningnewthings,sharingknowledgeandexperiencingdelightfulmoments
withwonderfulpersonsthatImet.I’mgladthathereIamgiventheopportunitytoexpress
mygratitudetothemall.
Firstandforemostofall,IwouldliketothanktheheadofInstitutodeTelecomunicaçõesin
Lisbon,Prof.CarlosFernandesforhavingencouragedmetoapplyfortheIST-EPFLdoctoral
program.
IwouldalsoliketoexpressmywarmestgratitudetomysupervisorsProf.CustódioPeixeiro
fromISTandProf. AnjaK.SkrivervikfromEPFLwhoseconstantanddedicatedsupportin
everyaspectprovidedmewithanexceptionalenvironmentinbothinstitutestopursueand
realizemyownideas.IconsidermyselfveryfortunateandIamgratefulforhavinghadsuch
wonderfulsupervisors.
IamalsothankfultotheheadoftheLEMAlaboratoryatEPFL,Prof. JuanR.Mosigalong
withthetwobelovedsecretariesEulaliaDurusselandMercedesQuintasfortheirsupportand
kindnessandespeciallyfortheireffortstosolvetheadministrativeandfinancialissuesrelated
tothejointdoctoralprogram.
IwishtothankProf.JoséAntonioEncinarfromTechnicalUniversityofMadrid(UPM),Madrid,
Spain,Prof.ÖzlemAydinÇivifromMiddleEastTechnicalUniversity,Ankara,TurkeyandProf.
FarhadRachidifromEPFLforhavingacceptedtobemythesisreviewers.
Many thanks goes to my friend and colleague Dr. Santiago Capdevila Cascante at LEMA,
EPFLfortheprecisemeasurementofthesamplesintheTHzregionandforhismanyfruitful
technicaldiscussionsandsuggestions. IamalsogratefultoAntonioMiguelAlmeidafrom
IST,Lisbonforperfectlycarryingoutthedemandingantennameasurementscenariointhe
anechoicchamber.
One of the most important developments in this thesis was the sophisticated fabrication
scenariooftheTHzreflectarrysamplesonsiliconwhichwasmadepossiblebyendeavoursof
myfriendandcolleagueMicheleTamagnoneandhiscolleaguesClaraMoldovanandPietro
MaoddiintheCMI-CenterofMicroNanoTechnologyatEPFL.Iwouldliketoexpressmy
gratitudeandcongratulationstothemallforthispreciousachievement.
IamthankfultomyfriendsandcolleaguesattheInstitutodeTelecomunicações(IT)inLisbon,
EduardoLimaandAndelaZaricforthefruitfultechnicalandsocialdiscussionsandsupport.
ManythanksgoestomyfriendMohsenKoohestaniwhohelpedmeagreatdealconcerning
administrativeprocedureinISTandtosettledowninLisbon.Iwouldalsoliketoexpressmy
i
Acknowledgements
gratitudetomywonderfulandlovelyfriendsRafalGlogowskiandhislifecompanionJoanna
fortheirmemorablehospitalityandinvaluablecompanybothinPortugalandSwitzerland.
DuringmythreeyearsstayinthelaboratoryofLEMA,EPFLImustsaythatIhaveenjoyed
a lot the friendly environment and wonderful company of its current and past members.
MywarmestthanksgoestoAnton,Baptist,David,Eden,Apostolos,Joana,Jovanche,Mina,
Michele,Maria,Tomislav,Nuno,Santiago,NevenaandMarcinadditiontomydearfellow
countrymen Hussein Esfahlani, Mohsen Yousefbeiki and Mohsen Bahramipanah all with
whomIspentdelightfulandunforgettablemoments.
Iwouldalsoliketoacknowledgethewonderfulandlovelymembersofthetheatretroupeof
EPFLLesPolyssons:Elise,Clarina,Karin,Sophie,Virgile,ThomasandAntoinealongwithour
twoadmirablemetteursenscèneChristineLavilleandAnthonyGerber,thankstowhomIhad
oneofthemostamazingexperiencesinmylifebyperformingwiththemintheplayLerepas
desfauvesthatwentonstageinAprilandMay2015.Ungrandmerciàvoustous!
FinallyIammostgratefultotheeverlastingsupportandloveofmyparentsSimaandEsmaeil
towhomIoweeveryachievementinmylife,tomysisterShahlaforhavingalwaysbeenthere
formeindifficulttimesandtomydearbrothersKhalilandHosseinthatinspiteofthelong
distanceshavealwaysbeenwithme.
Julien
FromFebruary2013tillJune2014mythesiswassupervisedatEPFLbyProf.JulienPerruisseau-
Carrierwhounfortunatelypassedawayon6thJune2014attheageof35.
FormeitwasagreatprivilegehavingknownJulienandhavingworkedunderhisinvaluable
supervision.AndImustsaythatitwashisinspiringperseveranceandperspicacityaswellas
hisgoodsenseofhumourthatmadehisdeathatragedyforthepeoplewhohaveknownhim
andhaveworkedwithhim.
ItgoeswithoutsayingthatwithhisenormouscontributionstodifferentareasofElectromag-
netismandwithhisdedicationandcommitmenttothescientificresearch,Julienwillalways
remainunforgettable.
Lausanne,07October2015 HamedHasani
ThisworkhasreceivedfinancialsupportbythePortugueseFundaçãoparaaCiênciaeaTec-
nologia(FCT)underthegrantreferencenumberSFRH/BD/51444/2011
ii
Abstract
Printedreflectarraysarelow-cost,low-profilehighgainantennasdemonstratingdistinctive
advantagesoverconventionalparabolicreflectorsandphased-arrays. Theflat,lowweight
reflecting surface of a reflectarray makes it an attractive alternative with respect to bulky
parabolic reflectors especially for space and satellite systems. As compared to high-cost
phased-arrayantennas, withincorporationofsolidstatedevices, reflectarraysareableto
demonstrateelectronicbeamscanninginaverylow-costway.
Adistinctiveadvantageofareflectarrayantennaliesinitspotentialtobereadilydesignedasa
multi-bandantennawhichdemonstratesindependentperformanceatseveralfrequencies.A
characteristicthatisdifficulttoachieveusingconventionalparabolicreflectors.
Theaimofthisthesisistopresentlow-cost,simple,multi-bandprintedreflectarrayantennas
inKuandTHzfrequencybands.InKubandwepresentadual-bandreflectarrayperforming
at12and14GHzandaquad-bandreflectarrayantennaperformingat12,13,14and15.5
GHz.Thepresentedprototypesbenefitfromtheadvantageofhavingasingle-layerstructure
whichreducesthedesigncomplexityaswellasthefabricationcost.Inaddition,multi-band
reflectarraysareabletoperformatanypolarizationduetothedual-linearpolarizeddesignof
theirunit-cells.Furthermore,thedesignoftheunit-cellissuchthat,ateachfrequency,the
phaseresponsedependsononlyoneparameterofthecell.Thisadvantageeliminatestheneed
fortimeconsumingoptimizations.Basedonproposedunit-cellsdual-bandandquad-band
reflectarrayswitharbitrarybeamdirectionversusfrequencyhavebeensimulated,fabricated
andmeasured. Simulationandmeasurementresultsaswelldemonstratethesatisfactory
independentperformanceoftheprototypesateachintendedfrequency.
InTHzregion,forthefirsttimewepresentatri-bandunit-cellbasedonwhichreflectarraypro-
totypesperformingatthethreefrequencies0.7,1.0and1.5THz,aredesigned.Thepresented
reflectarrayspossessalltheadvantagesofthosedesignedforKubandwiththeadditionalad-
vantageofhavinghighresistivitysiliconasthesubstratethankstoasophisticatedfabrication
process.Theuseofsiliconassubstrateisabigadvantagesinceitfacilitatestheintegrationof
solidstatedevicesforreconfigurability.Basedontheproposedunit-cellreflectarraysamples
witharbitraryindependentperformanceateachfrequencyaredesigned,simulated,fabricated
andmeasured. MeasurementresultsobtainedusingaTHz-TDS(TerahertzTime-Domain
Spectroscopy)measurementsystem,demonstratethesatisfactoryindependentperformance
ofthereflectarraysamplesateachfrequency.
Thisthesisalsopresentsadual-band,dual-polarizedreconfigurableunit-cellforbeam-scanning
reflectarrayoperatingat12and14GHz.Thecellhoweversuffersfromhigh-cross-polarization
iii
Acknowledgements
level.Achessboardcellarrangementisproposedtomitigatethehighcross-polarizationlevel
at the reflectarray far-field region. Simulation results show the effectiveness of the chess-
boardarrangementineliminatingthecross-polarizationallowingthedesignofalow-cross
polarizationreconfigurablereflectarrayantennaoutofaunit-cellwithhighcross-polarization
level.
Finally,thethesispresentstheconceptofaversatileflatprismwhichisareflectarraywith
a pre-designed frequency-scanning behaviour. The limitations and challenges as well as
solutionsforimplementationofsuchadevicearepresentedanddiscussed.
Keywords:Kuband,THz,Dualpolarization,Reflectarray,Periodicstructures,Metasurfaces,
Mutli-band,Highgainantennas,Satellitecommunications,Reconfigurableantennas.
iv
Résumé
Lesréseauxréfléchissantsimprimés,communémentappelésreflectarrays,sontdesantennes
à faible coût, de profil réduit et de gain élevé qui possèdent des avantages distincts par
rapportauxréflecteursparaboliquesclassiquesouauxantennesréseau.Lasurfaceplaneetla
légèretéd’unreflectarrayenfontunealternativeintéressanteauxréflecteursparaboliques
encombrants,particulièrementdanslecasdesystèmesspatiauxoudesatellites.Comparéaux
réseauxphasés,unreflectarrayestcapabledefournirunbalayageélectroniquedufaisceauà
unbienmoindrecoût.
Lesreflectarraysontl’avantagedepouvoirfacilementêtreconçuspourfonctionnerdansde
multiplesbandesdefréquencesindépendantesentreelles.Cettecaractéristiqueestdifficileà
réaliseravecdesréflecteursparaboliquesclassiques.
L’objectifdecettethèseestdeprésenterdesreflectarraysimpriméssimplesetmulti-bandes
enbandeKuainsiquedanslabandedesTHz.EnbandeKu,nousprésentonsunreflectarray
double-bandefonctionnantà12et14GHzetunreflectarrayquadri-bandefonctionnantà12,
13,14et15.5GHz.Lesprototypesprésentéssonttousmonocouche,cequiréduitlacomplexité
delaconceptionainsiquelecoûtdefabrication.Enoutre,lesreflectarraysmulti-bandessont
capablesdefonctionnersuivanttouteslesdirectionsdepolarisation,grâceàuneconception
enpolarisationlinéairedoubledeleurscellules. Deplus,lacelluleestconçuedemanière
àcequelesréponsesenphasedeleurcoefficientnedépendentqued’unseulparamètre,
différentdanschaquebandedefréquence,cequiprésentel’avantageconsidérablederendre
lesoptimisationsinutiles.Fondéssurlescellulesproposées,desreflectarraysdouble-bandeet
quadri-bandesontproposés,réalisésetcaractérisés.Ilsprésententunedirectionderéflexion
dufaisceauprédéfiniedemanièrearbitraire. Lesdiagrammesderayonnementsimuléset
mesurésdémontrentlefonctionnementsatisfaisantdeprototypesréalisés.
Une cellule tri-bande est présentée pour la première fois dans la bande de THz. Fondés
surcettedernière,deuxreflectarraysfonctionnantsà0.7,1.0,et1.5THzsontconçus. Ces
réseauxontlesmêmesavantagesqueceuxproposésenbandeKu.Deplus,l’utilisationd’un
substratenSiliciumàhauterésistivitéaétérenduepossibleparunprocessusdefabrication
sophistiqué,permettantainsilaréductiondespertes.L’utilisationdesiliciumcommesubstrat
présentel’avantagedefaciliterl’intégrationdesélémentssemi-conducteursutiliséspourune
éventuellereconfigurabilitéduréseau.
Desreflectarraysavecdesperformancesindépendantesàchaquefréquenceetchoisiesde
manièrearbitraireontétéconçus,simulés,fabriquésetmesurés. Lesrésultatsdemesure
obtenus en utilisant un système de mesure de THz-TDS (Terahertz Time-Domain Spec-
v
Résumé
troscopy),démontrentlaperformancesatisfaisantedesreflectarraysàchaquefréquence.
Cettethèseprésentedeplusunecelluledouble-bande,double-polarisationreconfigurable
pourunbalayagedefaisceauélectroniquefonctionnantà12et14GHz. Lacellulesouffre
cependant d’un niveau de polarisation croisée élevé. Pour atténuer cet inconvénient et
abaisserlapolarisationcroiséeenchamplointain,unarrangementdesélémentsnomméen
damier(chessboard)estproposé. Lesrésultatsdesimulationmontrentl’efficacitédecette
méthode.
Alafindelathèse,onprésenteleconceptdeprismeplanaireversatile(flatversatileprism)
quiestenfaitunreflectarrayprésentantunevariationfréquence-balayagepréconçue. Les
limitesetlesdéfisainsiquedessolutionspourlaréalisationd’unteldispositifsontprésentés
etdiscutés.
Motsclefs:BandeKu,THz,doublepolarisation,reflectarray,structurespériodiques,metasur-
faces,Mutli-bande,antennesàgainélevé,communicationsparsatellite,antennesreconfig-
urables
vi