Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

Selectively filled photonic liquid crystal fibers = Fibras de cristal fotónico selectivamente llenas con cristal líquido

El presente trabajo de Tesis se ha centrado en el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos basados en fibras de cristal fotónico infiltrado selectivamente con cristales líquidos, polímeros y una mezcla de ambos. Todos los dispositivos son sintonizables, y su área de aplicación se centra en comunicaciones ópticas y sensores. La manipulación y fusionado de fibras fotónicas, el llenado selectivo de determinadas cavidades y la alineación recíproca de fibras mantenedoras de polarización son tareas muy específicas y delicadas para las que se requieren protocolos muy estrictos. Previo a la fabricación de dispositivos ha sido necesaria por tanto una tarea de sistematización y creación de protocolos de fabricación. Una vez establecidos se ha procedido a la fabricación y caracterización de dispositivos. Los dispositivos fabricados se enumeran a continuación para posteriormente detallar una a una las singularidades de cada uno. • Interferómetros intermodales hechos a partir de una porción de fibra fotónica soldada entre dos fibras estándar, bien monomodo o PANDA (mantenedora de polarización). Estos interferómetros han sido sumergidos o bien llenados selectivamente con cristales líquidos para así sintonizar la señal interferométrica guiada a través de la fibra. • Infiltración de fibras fotónicas con cristales líquidos colestéricos con especial énfasis en la fase azul (blue phase) de estos materiales. Las moléculas de cristal líquido se autoalinean en volumen por lo que la infiltración de fibras fotónicas con estos cristales líquidos es muy interesante, pues es conocida la dificultad de alinear apropiadamente cristales líquidos dentro de cavidades micrométricas de las fibras fotónicas. • Grabación de redes holográficas de forma selectiva en las cavidades de una fibra fotónica. Estas redes holográficas, llamadas POLICRYPS (POlymer-LIquid CRYstal-Polymer Slices), son redes fabricadas a base de franjas de polímero y cristal líquido alineado perpendicularmente a dichas franjas. Las franjas son a su vez perpendiculares al eje de la fibra como lo puede ser una red de Bragg convencional. El cristal líquido, al estar alineado perpendicularmente a dichos franjas y paralelo al eje de la fibra, se puede conmutar aplicando un campo eléctrico externo, modificando así el índice efectivo de la red. Se puede fabricar por lo tanto una red de Bragg sintonizable en fibra, muy útil en comunicaciones ópticas. • Llenado selectivo de fibras fotónicas con polidimetilsiloxano (PDMS), un polímero de tipo silicona. Si se realiza un llenado selectivo asimétrico se puede inducir birrefringencia en la fibra. El índice de refracción del PDMS tiene una fuerte dependencia térmica, por lo que se puede sintonizar la birrefringencia de la fibra. • Estudio teórico de llenado selectivo de fibras fotónicas con PDMS dopado con nanopartículas de plata de 5, 40 y 80 nm. Estas nanopartículas poseen un pico de absorción en torno a los 450 nm debido a resonancias superficiales localizadas de plasmones (LSPR). La resonancia del plasmon tiene una fuerte dependencia con el índice de refracción del material colindante, y al ser éste PDMS, la variación de índice de refracción se ve amplificada, obteniendo una absorción sintonizable. Se ha propuesto la fabricación de polarizadores sintonizables usando esta técnica. Como ya se ha dicho, previamente a la fabricación ha sido necesaria la protocolización de diversos procedimientos de fabricación de alta complejidad, así como protocolizar el proceso de toma de medidas para optimizar los resultados. Los procedimientos que han requerido la formulación de protocolos específicos han sido los siguientes: • Llenado selectivo de cavidades en una fibra fotónica. Dichas fibras tienen generalmente un diámetro externo de 125 μm, y sus cavidades son de entre 5 y 10 μm de diámetro. Se han desarrollado tres técnicas diferentes para el llenado/bloqueado selectivo, pudiéndose combinar varios protocolos para la optimización del proceso. Las técnicas son las siguientes: o Llenado y bloqueado con un prepolímero. Dicho prepolímero, también llamado adhesivo óptico, está inicialmente en estado líquido y posee una cierta viscosidad. Las cavidades de la fibra fotónica que se desea llenar o bloquear poseen un diámetro diferente al resto, por lo que en el proceso de llenado aparecen dos frentes de llenado dependientes de su diámetro. A mayor diámetro, mayor velocidad de llenado. Polimerizando cuando existe dicha diferencia en los frentes se puede cortar por medio, obteniendo así una fibra parcialmente bloqueada. o Colapsamiento de las cavidades de menor diámetro mediante aplicación de calor. El calor producido por un arco voltaico de una soldadora de fibra estándar fusiona el material exterior de la fibra produciendo el colapsamiento de las cavidades de menor diámetro. En esta técnica también es necesaria una diferencia de diámetros en las cavidades de la fibra. o Bloqueo una a una de las cavidades de la fibra fotónica con adhesivo óptico. Este procedimiento es muy laborioso y requiere mucha precisión. Con este sistema se pueden bloquear las cavidades deseadas de una fibra sin importar su diámetro. • Alineación de una fuente de luz linealmente polarizada con una fibra mantenedora de polarización ya sea PANDA o fotónica. Así mismo también se han alineado entre sí fibras mantenedoras de polarización, para que sus ejes rápidos se fusionen paralelos y así el estado de polarización de la luz guiada se mantenga. • Sistematización de toma de medidas para caracterizar los interferómetros modales. Éstos son altamente sensibles a diversas variables por lo que el proceso de medida es complejo. Se deben aislar variables de forma estrictamente controlada. Aunque todos los dispositivos tienen en común el llenado selectivo de cavidades en una fibra fotónica cada dispositivo tiene sus peculiaridades, que van a ser explicadas a continuación. ABSTRACT The present Thesis has been centered in the design, fabrication and characterization of devices based on photonic crystal fibers selectively filled with liquid crystals, polymers and a mixture of both. All devices are tunable and their work field is optical communications and sensing The handling and splicing of photonic crystal fibers, the selective filling of their holes and the aligning of polarization maintaining fibers are very specific and delicate tasks for which very strict protocols are required. Before the fabrication of devices has therefore been necessary task systematization and creation of manufacturing protocols. Once established we have proceeded to the fabrication and characterization of devices. The fabricated devices are listed below and their peculiarities are detailed one by one: • Intermodal interferometers made with a portion of photonic crystal fiber spliced between two optical communication fiber pigtails, either single mode or PANDA (polarization-maintaining) fiber. These interferometers have been submerged or selectively filled with liquid crystals to tune the interferometric guided signal. • Infiltration of photonic fibers with cholesteric liquid crystals with special emphasis on their blue phase (blue phase). The liquid crystal molecules are self-aligning in volume so the infiltration of photonic fibers with these liquid crystals is very interesting. It is notoriously difficult to properly align liquid crystals within micron cavities such as photonic fibers. • Selectively recording of holographic gratings in the holes of photonic crystal fibers. These holographic gratings, called POLICRYPS (POlymer-LIquid CRYstal-Polymes Slices), are based on walls made of polymer and liquid crystal aligned perpendicular to them. These walls are perpendicular to the axis of the fiber as it can be a conventional Bragg grating. The liquid crystal is aligned perpendicular to the walls and parallel to the fiber axis, and can be switched by applying an external electric field and thus change the effective index of the grating. It is thus possible to manufacture a tunable Bragg grating fiber, useful in optical communications. •Asymmetrically selective filling of photonic crystal fibers with a silicone polymer like called polydimethylsiloxane (PDMS) to induce birefringence in the fiber. The refractive index of PDMS has temperature dependence, so that the birefringence of the fiber can be tuned. • Theoretical study of photonic crystal fibers selectively filled with PDMS doped with silver nanoparticles of 5, 40 and 80 nm. These nanoparticles have an absorption peak around 450 nm due to localized surface plasmon resonances (LSPR). Plasmon resonance has a strong dependence on the refractive index of the adjacent material, and as this is PDMS, the refractive index variation is amplified, obtaining a tunable absorption. Fabrication of tunable polarizers using this technique has been proposed. Before starting the fabrication, it has been necessary to optimize several very delicate procedures and different protocols have been designed. The most delicate procedures are as follows: • Selective filling of holes in a photonic crystal fiber. These fibers generally have an outer diameter of 125 μm, and their holes have a diameter around between 5 and 10 μm. It has been developed three different techniques for filling / selective blocking, and they can be combined for process optimization. The techniques are: o Filling and blocked with a prepolymer. This prepolymer also called optical adhesive is initially in liquid state and has a certain viscosity. The holes of the photonic crystal fiber that are desired to be filled or blocked should have a different diameter, so that in the filling process appear two different fronts depending on the hole diameter. The holes with larger diameter are filled faster. Then the adhesive is polymerized when there is such a difference on the front. A partially blocked fiber is obtained cutting between fronts. o Collapsing of holes of smaller diameter by application of heat. The heat produced by an arc of a standard fusion splicer fuses the outer fiber material producing the collapsing of the cavities of smaller diameter. In this technique also you need a difference of diameters in the fiber holes. o Blocking one by one the holes of photonic crystal fiber with optical adhesive. This procedure is very laborious and requires great precision. This system can block unwanted cavities regardless fiber diameter. • Aligning a linearly polarized light source with a polarization-maintaining fiber (either a PANDA fiber as a photonic crystal fiber). It is needed also an aligning between polarization-maintaining fibers, so that their fast axes parallel merge and that is state of polarization of light guided is maintained. • Systematization of taking measurements to characterize the modal interferometers. These are highly sensitive to several variables so the measurement process is very complicated. Variables must be fixed in a very controlled manner. Although all devices have the common characteristic of being selectively filled PCFs with some kind of material, each one has his own peculiarities, which are explained below.

Optimization and evaluation in space conditions of multi-GHz optical modulators

Among the different optical modulator technologies available such as polymer, III-V semiconductors, Silicon, the well-known Lithium Niobate (LN) offers the best trade-off in terms of performances, ease of use, and power handling capability [1-9]. The LN technology is still widely deployed within the current high data rate fibre optic communications networks. This technology is also the most mature and guarantees the reliability which is required for space applications [9].In or der to fulfil the target specifications of opto-microwave payloads, an optimization of the design of a Mach-Zehnder (MZ) modulator working at the 1500nm telecom wavelength was performed in the frame of the ESA-ARTES "Multi GigaHertz Optical Modulator" (MGOM) project in order to reach ultra-low optical insertion loss and low effective driving voltage in the Ka band. The selected modulator configuration was the X-cut crystal orientation, associated to high stability Titanium in-diffusion process for the optical waveguide. Starting from an initial modulator configuration exhibiting 9 V drive voltage @ 30 GHz, a complete redesign of the coplanar microwave electrodes was carried out in order to reach a 6 V drive voltage @ 30GHz version. This redesign was associated to an optimization of the interaction between the optical waveguide and the electrodes. Following the optimisation steps, an evaluation program was applied on a lot of 8 identical modulators. A full characterisation was carried out to compare performances, showing small variations between the initial and final functional characteristics. In parallel, two similar modulators were submitted to both gamma (10-100 krad) and proton irradiation (10.109 p/cm²) with minor performance degradation.