Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Micromachined Millimeter-Wave Planar Silicon Lens Antennas with Concentric and Shifted Matching Regions
Show others and affiliations
2016 (English)In: IET Microwaves, Antennas & Propagation, ISSN 1751-8725, E-ISSN 1751-8733Article in journal (Other academic) Submitted
Abstract [en]

This paper presents a study of planar extended hemispherical lens antennas, fabricated from a high-resistivity silicon substrate. The high-permittivity lenses are matched to free-space using up to three stepped impedance matching regions. The effective permittivity of the matching regions is tailor-made by etching periodic holes in the silicon wafer. The optimal thickness and permittivity of the matching regions was determined using TRF optimization, in order to yield the maximum wide-band aperture efficiency and smallest side-lobes. We introduce a new geometry for the matching regions, here referred to as shifted-type matching regions. The simulation results presented here indicate that using three shifted-type matching regions results in twice as large aperture efficiency as compared to using three conventional concentric-type matching regions. A prototype antenna with a single matching region was fabricated and measured in the W-band. By increasing the number of matching regions from one to three, the band-averaged gain is increased by 0.3 dB when using concentric matching regions, and by 3.7 dB when using shifted matching regions, which illustrates the advantage of the new shifted-type matching region.

Place, publisher, year, edition, pages
Institution of Engineering and Technology, 2016.
Keyword [en]
LENS ANTENNAS, MICROMACHINING, SILICON, ANTENNA DESIGN, IMPEDANCE MATCHING, OPTIMISATION
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-197335OAI: oai:DiVA.org:kth-197335DiVA: diva2:1051803
Note

QC 20161115

Available from: 2016-12-03 Created: 2016-12-03 Last updated: 2016-12-15Bibliographically approved
In thesis
1. On millimeter and submillimeter wave focal plane arrays implemented with MEMS waveguide switches
Open this publication in new window or tab >>On millimeter and submillimeter wave focal plane arrays implemented with MEMS waveguide switches
2017 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

This thesis presents research towards enabling micromachined millimeter and submillimeter wave focal plane arrays (FPAs). The FPAs operate under the following principle: a switch network consisting of microelectromechanical (MEMS) switches, integrated with micromachined waveguides, is used to feed an array of antenna elements, located in the focal plane of a high-gain quasi-optical system. Hence, it is possible to switch between a set of narrow beams in different directions. Such beam steering systems are needed for future millimeter and submillimeter wave imaging and communication systems. The contributions to future MEMS-switchable FPAs presented here are organized in three papers, as described below.

Paper I presents a criterion on the spacing between adjacent FPA elements which results in -3 dB overlap between the switched beams, for the special case when an extended hemispherical dielectric lens is used as the optical system. A key step towards this criterion is a closed-form relation between the scan angle and the FPA element's position, which results in an expression for the effective focal length of extended hemispherical lenses. A comparison with full-wave simulations demonstrates an excellent agreement with the presented theoretical results. Finally, it is shown that the maximum feasible FPA spacing when using an extended hemispherical lens is about 0.7 wavelengths.

Paper II presents a numerical study of silicon-micromachined planar extended hemispherical lenses, with up to three matching regions used to reduce internal reflections. The effective permittivity of the matching regions is tailor-made by etching periodic holes in the silicon wafer. The optimal thickness and permittivity of the matching regions were determined using TRF optimization, in order to yield the maximum wide-band aperture efficiency and small side-lobes. We introduce a new matching region geometry, referred to as shifted-type matching regions, and it is demonstrated that using three shifted-type matching regions results in twice as large aperture efficiency as compared to using three conventional concentric-type matching regions.

Paper III presents a submillimeter-wave single-pole single-throw (SPST) 500-750 GHz MEMS waveguide switch, based on a MEMS-reconfigurable surface inserted between two waveguide flanges. A detailed design parameter study is carried out to select the best combination of the number of horizontal bars and vertical columns of the MEMS-reconfigurable surface, for achieving a low insertion loss in the transmissive state and a high isolation in the blocking state. A method is presented to model the non-ideal electrical contacts between the vertical cantilevers of the MEMS surface, with an excellent agreement between the simulated and measured isolation. It is shown that the isolation can be improved by replacing an ohmic contact by a new, capacitive contact. The measured isolation of the switch prototype is better than 19 dB and the measured insertion loss is between 2.5 and 3 dB.

Abstract [sv]

Denna avhandling presenterar forskning som syftar till att möjliggöra fokalplans-gruppantenner (FPAs) för våglängder i millimeter och submillimeterområdet. Principen för en sådan FPAs funktion är följande: ett nätverk bestående av mikroelektromekaniska (MEMS) switchar, används för att välja mellan de olika antenn-elementen i en gruppantenn, som placerats i fokalplanet av ett optiskt system. Därmed blir det möjligt att välja från en uppsättning av smala lober i olika riktningar. Sådana lob-styrningssystem behövs för framtida radar- och kommunikationssystem i millimeter och submillimeterområdet. Resultaten är uppdelade i tre vetenskapliga artiklar, som beskrivs nedan.

I den första artikeln (Paper I) presenteras ett villkor för avståndet mellan närliggande FPA-element som resulterar i -3 dB överlappning mellan de switchade loberna, för specialfallet då en förlängd hemisfärisk lins används som optiskt system. Det viktigaste steget mot att hitta detta villkor är att bestämma en analytisk relation mellan avsökningsvinkeln och FPA-elementens position. Detta resulterar i ett uttryck för den effektiva fokallängden för denna typ av lins. En utmärkt överensstämelse har funnits mellan dessa relationer och simuleringar. Slutligen visas det att de största möjliga FPA-avstånden för en förlängd hemisfärisk lins är ungefär 0.7 våglängder, vilket uppnås för linser med låg permittivitet.

I den andra artikeln (Paper II) presenteras en numerisk studie av plana förlängda hemisfäriska linser, som kan produceras från en kiselskiva. Linserna har upp till tre matchningsregioner, som används för att reducera interna reflektioner. Den effektiva permittiviteten av de matchande regionerna skräddarsys genom etsning av periodiska hål i kiselskivan. Den optimala tjockleken och permittiviteten av de matchande regionerna har bestämts med hjälp av TRF-optimering, för att ge maximal bredbandig direktivitet och minimala sidlober. En ny geometri introduceras för matchningsregionerna, som vi kallar matchningsregioner av skiftad typ. Vi visar att användning av tre matchningsregioner av skiftad typ resulterar i en dubbelt så hög apertur-effektivitet, jämfört med att använda tre konventionella matchningsregioner av koncentrisk typ.

I den tredje artikeln (Paper III) presenteras en MEMS-switch för rektangulära vågledare, för frekvensområdet 500-750 GHz. Baserat på en designparameterstudie har den bästa kombinationen av antalet horisontella rader och vertikala kolumner hos den MEMS-konfigurerbara ytan valts ut, för att uppnå låga förluster i det öppna tillståndet och hög isolation i det blockerande tillståndet. I artikeln presenteras en metod för att modellera icke-perfekta elektriska kontakter mellan de fixerade och de rörliga delarna i MEMS-ytan. Denna metod uppvisar en utmärkt överensstämmelse mellan den simulerade och den uppmätta isolationen. Vi visara att isolationen kan förbättras med hjälp av en ny typ av kapacitiv kontakt. Den uppmätta isolationen hos den presenterade switch-prototypen är högre än 19 dB, och den uppmätta förlusten är mellan 2.5 och 3 dB.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2017. 49 p.
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146
Keyword
Extended Hemispherical Lens, Beam Steering, Focal Plane Array (FPA), Ray-Tracing, RF MEMS, waveguide switch, micromachined waveguide, submillimeter-wave, rectangular waveguide, terahertz, lenses, antenna theory, silicon
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-197339 (URN)978-91-7729-208-1 (ISBN)
Presentation
2017-01-27, Q2, Osquldas väg 10, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Foundation for Strategic Research , SE13-007
Note

QC 20161206

Available from: 2016-12-06 Created: 2016-12-03 Last updated: 2016-12-06Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Search in DiVA

By author/editor
Frid, Henrik
In the same journal
IET Microwaves, Antennas & Propagation
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

Total: 34 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link