passive and active reconfigurable microstrip reflectarray antennas

183 Pages·2008·14.48 MB·English

PASSIVE AND ACTIVE RECONFIGURABLE
MICROSTRIP REFLECTARRAY ANTENNAS

PASSIVE AND ACTIVE RECONFIGURABLE
MICROSTRIP REFLECTARRAY ANTENNAS
PROEFSCHRIFT
ter verkrijging van de graad van doctor
aan de Technische Universiteit Delft,
op gezag van de Rector Magnificus prof. dr. ir. J.T. Fokkema,
voorzitter van het College voor Promoties,
in het openbaar te verdedigen op dinsdag 30 september 2008 om 15.00 uur
door
Mostafa HAJIAN
elektrotechnisch ingenieur
geboren te Arak, Iran
Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor:
Prof.dr.ir. L.P. Ligthart
Samenstelling promotiecommissie:
Rector Magnificus, voorzitter
Prof.dr.ir. L.P. Ligthart, Technische Universiteit Delft, promotor
Prof.ir. K. Robers, Technische Universiteit Delft
Dr.Sci. A.G. Yarovoy, Technische Universiteit Delft
Prof.dr.ir. G. Vandenbosch, Katholieke Universiteit Leuven, Belgi¨e
Prof.dr.ir. E.R. Fledderus, Technische Universiteit Eindhoven,
Prof.dr.ir. I.G.M.M. Niemegeers, Technische Universiteit Delft
Prof.dr.ir. W.C. van Etten, Technische Universiteit Twente
Thesis Delft University of Technology.
With references and with summary in Dutch.
ISBN 978-90-9023134-1
Subject headings: hollow patch antenna, reflectarray antenna, passive- and
active antennas, shared aperture antenna.
Printed in The Netherlands
Copyright (cid:2)c 2008 byM. Hajian
All rights reserved. No part of the material protected by this copyright notice may be
reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, includ-
ing photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without
permission from thecopyright owner.
The work presented in this thesis was financially supported by IRCTR in
The Netherlands.
To Carla, Lavinia and Ramses

Contents
1 Introduction 1
1.1 Research objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Research lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Novelties and main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Outline of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Microstrip reflectarray antennas 7
2.1 Basic microstrip reflectarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Active microstrip reflectarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Design parameters of microstrip reflectarray . . . . . . . . . . 11
2.3.1 Feeding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Spillover and taper efficiencies . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.3 Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.4 Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Single element considerations 15
3.1 Numerical aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Design parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.1 Patch dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.2 Substrate thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.3 Dielectric constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.4 Ground plane dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Performance parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.1 Far field phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
II CONTENTS
3.3.2 Far field magnitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.3 Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.4 Cross-polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.5 Resonance frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.6 Near field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.7 Surface currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4 RF Reflection and transmission of semiconductor material
under illumination of light 21
4.1 The concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 Modelling the reflection and transmission coefficients . . . . . 23
4.2.1 Propagation constant in semiconductor material . . . 25
4.2.2 Electron-hole pair generation rate . . . . . . . . . . . 26
4.2.3 Reflection and transmission coefficients . . . . . . . . 26
4.3 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4.1 X-band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.2 Ka-band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.5 Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5 Formulation of the integral equation for microstrip reflec-
tarray antennas 37
5.1 Numerical validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.1.1 Singularity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.1.2 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6 Variable-sized phasing technique 45
6.1 Geometry of a variable-sized patch . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2 Design procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2.1 Infinite ground plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2.2 Truncated ground plane . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
CONTENTS III
6.3 Phase diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3.1 Computational aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.3.2 Substrate thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4 Surface currents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4.1 Near-field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.5 Array design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.5.1 Measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.5.2 Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7 Hollow patch: part 1 61
7.1 Design procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.2 Phase diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.2.1 Computational aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.2.2 Substrate thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.2.3 Patch length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.3 Surface currents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.3.1 Near-field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.4 Waveguide simulator measurements . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8 Hollow patch: part 2 73
8.1 Geometry of the rectangular hollow patch . . . . . . . . . . . 74
8.2 Design procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.3 Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.3.1 Computational aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.3.2 Substrate thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.3.3 Patch length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.3.4 Slot length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.4 Surface currents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.4.1 Near-field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.5 Hollow patch with island . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
IV CONTENTS
8.6 Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.6.1 Substrate thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.6.2 Patch length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.7 Surface currents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9 Reconfigurable active MRA with capacitive loading 89
9.1 Geometry of a loaded hollow patch . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.2 Design procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.3 Phase diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.3.1 Computational aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.3.2 Substrate thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.3.3 Patch length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.3.4 Slot length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.3.5 Slot width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.4 Surface currents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.4.1 Near-field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9.5 Varactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.6 Varactor-based scanning capabilities . . . . . . . . . . . . . . 102
9.7 Technological aspects and experimental results . . . . . . . . 103
9.8 Narrow-band multi-frequency shared aperture antenna . . . . 115
9.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
10 General conclusions and discussion 119
APPENDICES 125
A Derivation of integral equation 127
A.1 Integral equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A.1.1 Derivation of dyadic Green’s function . . . . . . . . . 129
A.1.2 The Scattered field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
A.1.3 Series expansion for the current . . . . . . . . . . . . . 133
A.1.4 Bases function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133