Radiofrequency architectures and technologies for software defined radio

Six-port network is an interesting radiofrequency architecture with multiple possibilities. Since it was firstly introduced in the seventies as an alternative network analyzer, the six-port network has been used for many applications, such as homodyne receivers, radar systems, direction of arrival estimation, UWB (Ultra-Wide-Band), or MIMO (Multiple Input Multiple Output) systems. Currently, it is considered as a one of the best candidates to implement a Software Defined Radio (SDR). This thesis comprises an exhaustive study of this promising architecture, where its fundamentals and the state-of-the-art are also included. In addition, the design and development of a SDR 0.3-6 GHz six-port receiver prototype is presented in this thesis, which is implemented in conventional technology. The system is experimentally characterized and validated for RF signal demodulation with good performance. The analysis of the six-port architecture is complemented by a theoretical and experimental comparison with other radiofrequency architectures suitable for SDR. Some novel contributions are introduced in the present thesis. Such novelties are in the direction of the highly topical issues on six-port technique: development and optimization of real-time I-Q regeneration techniques for multiport networks; and search of new techniques and technologies to contribute to the miniaturization of the six-port architecture. In particular, the novel contributions of this thesis can be summarized as: - Introduction of a new real-time auto-calibration method for multiport receivers, particularly suitable for broadband designs and high data rate applications. - Introduction of a new direct baseband I-Q regeneration technique for five-port receivers. - Contribution to the miniaturization of six-port receivers by the use of the multilayer LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) technology. Implementation of a compact (30x30x1.25 mm) broadband (0.3-6 GHz) six-port receiver in LTTC technology. The results and conclusions derived from this thesis have been satisfactory, and quite fruitful in terms of publications. A total of fourteen works have been published, considering international journals and conferences, and national conferences. Aditionally, a paper has been submitted to an internationally recognized journal, which is currently under review.

Contribution to the design of waveguide-fed compound-slot arrays by means of equivalent circuit modelling

Los arrays de ranuras son sistemas de antennas conocidos desde los años 40, principalmente destinados a formar parte de sistemas rádar de navíos de combate y grandes estaciones terrenas donde el tamaño y el peso no eran altamente restrictivos. Con el paso de los años y debido sobre todo a importantes avances en materiales y métodos de fabricación, el rango de aplicaciones de este tipo de sistemas radiantes creció en gran medida. Desde nuevas tecnologías biomédicas, sistemas anticolisión en automóviles y navegación en aviones, enlaces de comunicaciones de alta tasa binaria y corta distancia e incluso sistemas embarcados en satélites para la transmisión de señal de televisión. Dentro de esta familia de antennas, existen dos grupos que destacan por ser los más utilizados: las antennas de placas paralelas con las ranuras distribuidas de forma circular o espiral y las agrupaciones de arrays lineales construidos sobre guia de onda. Continuando con las tareas de investigación desarrolladas durante los últimos años en el Instituto de Tecnología de Tokyo y en el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid, la totalidad de esta tesis se centra en este último grupo, aunque como se verá se separa en gran medida de las técnicas de diseño y metodologías convencionales. Los arrays de ranuras rectas y paralelas al eje de la guía rectangular que las alimenta son, sin ninguna duda, los modelos más empleados debido a la fiabilidad que presentan a altas frecuencias, su capacidad para gestionar grandes cantidades de potencia y la sencillez de su diseño y fabricación. Sin embargo, también presentan desventajas como estrecho ancho de banda en pérdidas de retorno y rápida degradación del diagrama de radiación con la frecuencia. Éstas son debidas a la naturaleza resonante de sus elementos radiantes: al perder la resonancia, el sistema global se desajusta y sus prestaciones degeneran. En arrays bidimensionales de slots rectos, el campo eléctrico queda polarizado sobre el plano transversal a las ranuras, correspondiéndose con el plano de altos lóbulos secundarios. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de un método sistemático de diseño de arrays de ranuras inclinadas y desplazadas del centro (en lo sucesivo “ranuras compuestas”), definido en 1971 como uno de los desafíos a superar dentro del mundo del diseño de antennas. La técnica empleada se basa en el Método de los Momentos, la Teoría de Circuitos y la Teoría de Conexión Aleatoria de Matrices de Dispersión. Al tratarse de un método circuital, la primera parte de la tesis se corresponde con el estudio de la aplicabilidad de las redes equivalentes fundamentales, su capacidad para recrear fenómenos físicos de la ranura, las limitaciones y ventajas que presentan para caracterizar las diferentes configuraciones de slot compuesto. Se profundiza en las diferencias entre las redes en T y en ! y se condiciona la selección de una u otra dependiendo del tipo de elemento radiante. Una vez seleccionado el tipo de red a emplear en el diseño del sistema, se ha desarrollado un algoritmo de cascadeo progresivo desde el puerto alimentador hacia el cortocircuito que termina el modelo. Este algoritmo es independiente del número de elementos, la frecuencia central de funcionamiento, del ángulo de inclinación de las ranuras y de la red equivalente seleccionada (en T o en !). Se basa en definir el diseño del array como un Problema de Satisfacción de Condiciones (en inglés, Constraint Satisfaction Problem) que se resuelve por un método de Búsqueda en Retroceso (Backtracking algorithm). Como resultado devuelve un circuito equivalente del array completo adaptado a su entrada y cuyos elementos consumen una potencia acorde a una distribución de amplitud dada para el array. En toda agrupación de antennas, el acoplo mutuo entre elementos a través del campo radiado representa uno de los principales problemas para el ingeniero y sus efectos perjudican a las prestaciones globales del sistema, tanto en adaptación como en capacidad de radiación. El empleo de circuito equivalente se descartó por la dificultad que suponía la caracterización de estos efectos y su inclusión en la etapa de diseño. En esta tesis doctoral el acoplo también se ha modelado como una red equivalente cuyos elementos son transformadores ideales y admitancias, conectada al conjunto de redes equivalentes que representa el array. Al comparar los resultados estimados en términos de pérdidas de retorno y radiación con aquellos obtenidos a partir de programas comerciales populares como CST Microwave Studio se confirma la validez del método aquí propuesto, el primer método de diseño sistemático de arrays de ranuras compuestos alimentados por guía de onda rectangular. Al tratarse de ranuras no resonantes, el ancho de banda en pérdidas de retorno es mucho mas amplio que el que presentan arrays de slots rectos. Para arrays bidimensionales, el ángulo de inclinación puede ajustarse de manera que el campo quede polarizado en los planos de bajos lóbulos secundarios. Además de simulaciones se han diseñado, construido y medido dos prototipos centrados en la frecuencia de 12GHz, de seis y diez elementos. Las medidas de pérdidas de retorno y diagrama de radiación revelan excelentes resultados, certificando la bondad del método genuino Method of Moments - Forward Matching Procedure desarrollado a lo largo de esta tésis. Abstract The slot antenna arrays are well known systems from the decade of 40s, mainly intended to be part of radar systems of large warships and terrestrial stations where size and weight were not highly restrictive. Over the years, mainly due to significant advances in materials and manufacturing methods, the range of applications of this type of radiating systems grew significantly. From new biomedical technologies, collision avoidance systems in cars and aircraft navigation, short communication links with high bit transfer rate and even embedded systems in satellites for television broadcast. Within this family of antennas, two groups stand out as being the most frequent in the literature: parallel plate antennas with slots placed in a circular or spiral distribution and clusters of waveguide linear arrays. To continue the vast research work carried out during the last decades in the Tokyo Institute of Technology and in the Radiation Group at the Universidad Politécnica de Madrid, this thesis focuses on the latter group, although it represents a technique that drastically breaks with traditional design methodologies. The arrays of slots straight and parallel to the axis of the feeding rectangular waveguide are without a doubt the most used models because of the reliability that they present at high frequencies, its ability to handle large amounts of power and their simplicity of design and manufacturing. However, there also exist disadvantages as narrow bandwidth in return loss and rapid degradation of the radiation pattern with frequency. These are due to the resonant nature of radiating elements: away from the resonance status, the overall system performance and radiation pattern diminish. For two-dimensional arrays of straight slots, the electric field is polarized transverse to the radiators, corresponding to the plane of high side-lobe level. This thesis aims to develop a systematic method of designing arrays of angled and displaced slots (hereinafter "compound slots"), defined in 1971 as one of the challenges to overcome in the world of antenna design. The used technique is based on the Method of Moments, Circuit Theory and the Theory of Scattering Matrices Connection. Being a circuitry-based method, the first part of this dissertation corresponds to the study of the applicability of the basic equivalent networks, their ability to recreate the slot physical phenomena, their limitations and advantages presented to characterize different compound slot configurations. It delves into the differences of T and ! and determines the selection of the most suitable one depending on the type of radiating element. Once the type of network to be used in the system design is selected, a progressive algorithm called Forward Matching Procedure has been developed to connect the proper equivalent networks from the feeder port to shorted ending. This algorithm is independent of the number of elements, the central operating frequency, the angle of inclination of the slots and selected equivalent network (T or ! networks). It is based on the definition of the array design as a Constraint Satisfaction Problem, solved by means of a Backtracking Algorithm. As a result, the method returns an equivalent circuit of the whole array which is matched at its input port and whose elements consume a power according to a given amplitude distribution for the array. In any group of antennas, the mutual coupling between elements through the radiated field represents one of the biggest problems that the engineer faces and its effects are detrimental to the overall performance of the system, both in radiation capabilities and return loss. The employment of an equivalent circuit for the array design was discarded by some authors because of the difficulty involved in the characterization of the coupling effects and their inclusion in the design stage. In this thesis the coupling has also been modeled as an equivalent network whose elements are ideal transformers and admittances connected to the set of equivalent networks that represent the antennas of the array. By comparing the estimated results in terms of return loss and radiation with those obtained from popular commercial software as CST Microwave Studio, the validity of the proposed method is fully confirmed, representing the first method of systematic design of compound-slot arrays fed by rectangular waveguide. Since these slots do not work under the resonant status, the bandwidth in return loss is much wider than the longitudinal-slot arrays. For the case of two-dimensional arrays, the angle of inclination can be adjusted so that the field is polarized at the low side-lobe level plane. Besides the performed full-wave simulations two prototypes of six and ten elements for the X-band have been designed, built and measured, revealing excellent results and agreement with the expected results. These facts certify that the genuine technique Method of Moments - Matching Forward Procedure developed along this thesis is valid and trustable.

Contribution to the analysis and design of reflectarray antennas for reconfigurable beam applications at frequencies above 100 GHz using liquid crystal technology

El trabajo contenido en esta tesis doctoral está encuadrado en el desarrollo de antenas reconfigurables electrónicamente capaces de proporcionar prestaciones competitivas a las aplicaciones cada vez más comunes que operan a frecuencias superiores a 60 GHz. En concreto, esta tesis se centra en el estudio, diseño, e implementación de las antenas reflectarray, a las que se introduce la tecnología de cristal líquido como elemento característico con el que se consigue reconfigurabilidad de haz de forma electrónica. Desde un punto de vista muy general, se puede describir un cristal líquido como un material cuya permitividad eléctrica es variable y controlada por una excitación externa, que generalmente suele corresponderse con un campo eléctrico quasi-estático (AC). Las antenas reflectarray de cristal líquido se han escogido como objeto de estudio por varias razones. La primera de ellas tiene que ver con las ventajas que los reflectarrays, y en especial aquellos realizados en configuración planar, proporcionan con respecto a otras antenas de alta ganancia como los reflectores o los “phased-arrays”. En los reflectarrays, la alimentación a través de una fuente primaria común (característica de reflectores) y el elevado número de grados de libertad de las celdas que los componen (característica de arrays) hacen que estas antenas puedan proporcionar prestaciones eléctricas iguales o mejores que las anteriores, a un coste más reducido y con estructuras de antena más compactas. La segunda razón radica en la flexibilidad que ofrece el cristal líquido a ser confinado y polarizado en recintos de geometría variada, como consecuencia de su fluidez (propiedad de los líquidos). Por ello, la tecnología de cristal líquido permite que el propio elemento reconfigurable en las celdas de reflectarray se adapte a la configuración planar de manera que en sí mismo, el cristal líquido sea una o varias de las capas características de esta configuración. Esto simplifica de forma drástica la estructura y la fabricación de este tipo de antenas, incluso si se comparan con reflectarrays reconfigurables basados en otras tecnologías como diodos, MEMS, etc. Por tanto, su coste y desarrollo es muy reducido, lo que hace que se puedan fabricar reflectarrays reconfigurables eléctricamente grandes, a bajo coste, y en producción elevada. Un ejemplo claro de una estructura similar, y que ha tenido éxito comercial, son las pantallas de cristal líquido. La tercera razón reside en el hecho de que el cristal líquido es, hasta la fecha, de las pocas tecnologías capaces de ofrecer reconfigurabilidad del haz a frecuencias superiores a 60 GHz. De hecho, el cristal líquido permite reconfigurabilidad en un amplio margen de frecuencias, que va desde DC a frecuencias del espectro visible, incluyendo las microondas y los THz. Otras tecnologías, como los materiales ferroeléctricos, el grafeno o la tecnología CMOS “on chip” permiten también conmutar el haz en estas frecuencias. Sin embargo, la tecnología CMOS tiene un elevado coste y actualmente está limitada a frecuencias inferiores a 150 GHz, y aunque los materiales ferroeléctricos o el grafeno puedan conmutar a frecuencias más altas y en un rango más amplio, tienen serias dificultades que los hacen aún inmaduros. En el caso de los materiales ferroeléctricos, los elevados voltajes para conmutar el material los hacen poco atractivos, mientras que en el caso del grafeno, su modelado aún está en discusión, y todavía no se han arrojado resultados experimentales que validen su idoneidad. Estas tres razones hacen que los reflectarrays basados en cristal líquido sean atractivos para multitud de aplicaciones de haz reconfigurable a frecuencias superiores a 60 GHz. Aplicaciones como radar de escaneo de imágenes de alta resolución, espectroscopia molecular, radiómetros para observación atmosférica, o comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia (WiGig) son algunas de ellas. La tesis está estructurada en tres partes. En la primera de ellas se describen las características más comunes de los cristales líquidos, centrándonos en detalle en aquellas propiedades ofrecidas por este material en fase nemática. En concreto, se estudiará la anisotropía dieléctrica (Ae) de los cristales líquidos uniaxiales, que son los que se emplean en esta tesis, definida como la diferencia entre la permitividad paralela (£//) y la perpendicular (e±): Ae = e,, - e±. También se estudiará la variación de este parámetro (Ae) con la frecuencia, y el modelado electromagnético macroscópico más general que, extraído a partir de aquella, permite describir el cristal líquido para cada tensión de polarización en celdas de geometría planar. Este modelo es de suma importancia para garantizar precisión en el desfasaje proporcionado por las diferentes celdas reconfigurables para reflectarrays que se describirán en la siguiente parte de la tesis. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño de celdas reflectarray resonantes basadas en cristal líquido. La razón por la que se escogen estos tipos de celdas reside en el hecho de que son las únicas capaces de proporcionar rangos de fase elevados ante la reducida anisotropía dieléctrica que ofrecen los cristales líquidos. El objetivo de esta parte trata, por tanto, de obtener estructuras de celdas reflectarray que sean capaces de proporcionar buenas prestaciones eléctricas a nivel de antena, mejorando sustancialmente las prestaciones de las celdas reportadas en el estado del arte, así como de desarrollar una herramienta de diseño general para aquellas. Para ello, se estudian las prestaciones eléctricas de diferentes tipos de elementos resonantes de cristal líquido que van, desde el más sencillo, que ha limitado el estado de la técnica hasta el desarrollo de esta tesis y que está formado por un sólo resonador, a elementos que constan de varios resonadores (multi-resonantes) y que pueden ser monocapa o multicapa. En un primer paso, el procedimiento de diseño de estas estructuras hace uso de un modelo convencional de cristal líquido que ha venido siendo usado en el estado del arte para este tipo de celdas, y que considera el cristal líquido como un material homogéneo e isótropo cuya permitividad varía entre (e/7) y (e±). Sin embargo, en esta parte de la tesis se demuestra que dicho modelado no es suficiente para describir de forma genérica el comportamiento del cristal líquido en las celdas tipo reflectarray. En la tesis se proponen procedimientos más exactos para el análisis y diseño basados en un modelo más general que define el cristal líquido como un material anisótropo e inhomogeneo en tres dimensiones, y se ha implementado una técnica que permite optimizar celdas multi-resonantes de forma eficiente para conseguir elevadas prestaciones en cuanto a ancho de banda, rango de fase, pérdidas, o sensibilidad al ángulo de incidencia. Los errores cometidos en el uso del modelado convencional a nivel de celda (amplitud y fase) se han analizado para varias geometrías, usando medidas de varios prototipos de antena que usan un cristal líquido real a frecuencias superiores a 100 GHz. Las medidas se han realizado en entorno periódico mediante un banco cuasi-óptico, que ha sido diseñado especialmente para este fin. Uno de estos prototipos se ha optimizado a 100 GHz para conseguir un ancho de banda relativamente elevado (10%), pérdidas reducidas, un rango de fase mayor de 360º, baja sensibilidad al ángulo de incidencia, y baja influencia de la inhomogeneidad transversal del cristal líquido en la celda. Estas prestaciones a nivel de celda superan de forma clara aquellas conseguidas por otros elementos que se han reportado en la literatura, de manera que dicho prototipo se ha usado en la última parte de la tesis para realizar diversas antenas de barrido. Finalmente, en esta parte se presenta una estrategia de caracterización de la anisotropía macroscópica a partir de medidas de los elementos de reflectarray diseñados en banco cuasi-óptico, obteniendo resultados tanto en las frecuencias de interés en RF como en AC, y comparándolas con aquellas obtenidas mediante otros métodos. La tercera parte de la tesis consiste en el estudio, diseño, fabricación y medida de antenas reconfigurables basadas en cristal líquido en configuraciones complejas. En reflectarrays pasivos, el procedimiento de diseño de la antena se limita únicamente al ajuste en cada celda de la antena de las dimensiones de las metalizaciones que se emplean para el control de fase, mediante procesos de optimización bien conocidos. Sin embargo, en el caso de reflectarrays reconfigurables basados en cristal líquido, resulta necesario un paso adicional, que consiste en calcular de forma adecuada las tensiones de control en cada celda del reflectarray para configurar la fase requerida en cada una de ellas, así como diseñar la estructura y los circuitos de control que permitan direccionar a cada elemento su tensión correspondiente. La síntesis de tensiones es por tanto igual o más importante que el diseño de la geometría de las celdas, puesto que éstas son las que están directamente relacionadas con la fase. En el estado del arte, existen varias estrategias de síntesis de tensiones que se basan en la caracterización experimental de la curva de fase respecto al voltaje. Sin embargo, esta caracterización sólo puede hacerse a un solo ángulo de incidencia y para unas determinadas dimensiones de celda, lo que produce que las tensiones sintetizadas sean diferentes de las adecuadas, y en definitiva que se alcancen errores de fase mayores de 70º. De esta forma, hasta la fecha, las prestaciones a nivel de antena que se han conseguido son reducidas en cuanto a ancho de banda, rango de escaneo o nivel de lóbulos secundarios. En esta última parte de la tesis, se introduce una nueva estrategia de síntesis de tensiones que es capaz de predecir mediante simulaciones, y con alta precisión, las tensiones que deben introducirse en cada celda teniendo en cuenta su ángulo de incidencia, sus dimensiones, la frecuencia, así como la señal de polarización definida por su frecuencia y forma de onda AC. Esta estrategia se basa en modelar cada uno de los estados de permitividad del cristal líquido como un sustrato anisótropo con inhomogeneidad longitudinal (1D), o en ciertos casos, como un tensor equivalente homogéneo. La precisión de ambos modelos electromagnéticos también se discute. Con el objetivo de obtener una herramienta eficiente de cálculo de tensiones, también se ha escrito e implementado una herramienta de análisis basada en el Método de los Momentos en el Dominio Espectral (SD-MoM) para sustratos estratificados anisótropos, que se usa en cada iteración del procedimiento de síntesis para analizar cada una de las celdas de la antena. La síntesis de tensiones se ha diseñado además para reducir al máximo el efecto del rizado de amplitud en el diagrama de radiación, que es característico en los reflectarrays que están formados por celdas con pérdidas elevadas, lo que en sí, supone un avance adicional para la obtención de mejores prestaciones de antena. Para el cálculo de los diagramas de radiación empleados en el procedimiento de síntesis, se asume un análisis elemento a elemento considerando periodicidad local, y se propone el uso de un método capaz de modelar el campo incidente de forma que se elimine la limitación de la periodicidad local en la excitación. Una vez definida la estrategia adecuada de cálculo de las tensiones a aplicar al cristal líquido en cada celda, la estructura de direccionamiento de las mismas en la antena, y diseñados los circuitos de control, se diseñan, fabrican y miden dos prototipos diferentes de antena de barrido electrónico a 100 GHz usando las celdas anteriormente presentadas. El primero de estos prototipos es un reflectarray en configuración “single offset” con capacidad de escaneo en un plano (elevación o azimut). Aunque previamente se realizan diseños de antenas de barrido en 2D a varias frecuencias en el rango de milimétricas y sub-milimétricas, y se proponen ciertas estrategias de direccionamiento que permiten conseguir este objetivo, se desarrolla el prototipo con direccionamiento en una dimensión con el fin de reducir el número de controles y posibles errores de fabricación, y así también validar la herramienta de diseño. Para un tamaño medio de apertura (con un numero de filas y columnas entre 30 y 50 elementos, lo que significa un reflectarray con un número de elementos superior a 900), la configuración “single offset” proporciona rangos de escaneo elevados, y ganancias que pueden oscilar entre los 20 y 30 dBi. En concreto, el prototipo medido proporciona un haz de barrido en un rango angular de 55º, en el que el nivel de lóbulos secundarios (SLL) permanece mejor de -13 dB en un ancho de banda de un 8%. La ganancia máxima es de 19.4 dBi. Estas prestaciones superan de forma clara aquellas conseguidas por otros autores. El segundo prototipo se corresponde con una antena de doble reflector que usa el reflectarray de cristal líquido como sub-reflector para escanear el haz en un plano (elevación o azimut). El objetivo básico de esta geometría es obtener mayores ganancias que en el reflectarray “single offset” con una estructura más compacta, aunque a expensas de reducir el rango de barrido. En concreto, se obtiene una ganancia máxima de 35 dBi, y un rango de barrido de 12º. Los procedimientos de síntesis de tensiones y de diseño de las estructuras de las celdas forman, en su conjunto, una herramienta completa de diseño precisa y eficiente de antenas reflectarray reconfigurables basados en cristales líquidos. Dicha herramienta se ha validado mediante el diseño, la fabricación y la medida de los prototipos anteriormente citados a 100 GHz, que consiguen algo nunca alcanzado anteriormente en la investigación de este tipo de antenas: unas prestaciones competitivas y una predicción excelente de los resultados. El procedimiento es general, y por tanto se puede usar a cualquier frecuencia en la que el cristal líquido ofrezca anisotropía dieléctrica, incluidos los THz. Los prototipos desarrollados en esta tesis doctoral suponen también unas de las primeras antenas de barrido real a frecuencias superiores a 100 GHz. En concreto, la antena de doble reflector para escaneo de haz es la primera antena reconfigurable electrónicamente a frecuencias superiores a 60 GHz que superan los 25 dBi de ganancia, siendo a su vez la primera antena de doble reflector que contiene un reflectarray reconfigurable como sub-reflector. Finalmente, se proponen ciertas mejoras que aún deben se deben realizar para hacer que estas antenas puedan ser un producto completamente desarrollado y competitivo en el mercado. ABSTRACT The work presented in this thesis is focused on the development of electronically reconfigurable antennas that are able to provide competitive electrical performance to the increasingly common applications operating at frequencies above 60 GHz. Specifically, this thesis presents the study, design, and implementation of reflectarray antennas, which incorporate liquid crystal (LC) materials to scan or reconfigure the beam electronically. From a general point of view, a liquid crystal can be defined as a material whose dielectric permittivity is variable and can be controlled with an external excitation, which usually corresponds with a quasi-static electric field (AC). By changing the dielectric permittivity at each cell that makes up the reflectarray, the phase shift on the aperture is controlled, so that a prescribed radiation pattern can be configured. Liquid Crystal-based reflectarrays have been chosen for several reasons. The first has to do with the advantages provided by the reflectarray antenna with respect to other high gain antennas, such as reflectors or phased arrays. The RF feeding in reflectarrays is achieved by using a common primary source (as in reflectors). This arrangement and the large number of degrees of freedom provided by the cells that make up the reflectarray (as in arrays), allow these antennas to provide a similar or even better electrical performance than other low profile antennas (reflectors and arrays), but assuming a more reduced cost and compactness. The second reason is the flexibility of the liquid crystal to be confined in an arbitrary geometry due to its fluidity (property of liquids). Therefore, the liquid crystal is able to adapt to a planar geometry so that it is one or more of the typical layers of this configuration. This simplifies drastically both the structure and manufacture of this type of antenna, even when compared with reconfigurable reflectarrays based on other technologies, such as diodes MEMS, etc. Therefore, the cost of developing this type of antenna is very small, which means that electrically large reconfigurable reflectarrays could be manufactured assuming low cost and greater productions. A paradigmatic example of a similar structure is the liquid crystal panel, which has already been commercialized successfully. The third reason lies in the fact that, at present, the liquid crystal is one of the few technologies capable of providing switching capabilities at frequencies above 60 GHz. In fact, the liquid crystal allows its permittivity to be switched in a wide range of frequencies, which are from DC to the visible spectrum, including microwaves and THz. Other technologies, such as ferroelectric materials, graphene or CMOS "on chip" technology also allow the beam to be switched at these frequencies. However, CMOS technology is expensive and is currently limited to frequencies below 150 GHz, and although ferroelectric materials or graphene can switch at higher frequencies and in a wider range, they have serious difficulties that make them immature. Ferroelectric materials involve the use of very high voltages to switch the material, making them unattractive, whereas the electromagnetic modelling of the graphene is still under discussion, so that the experimental results of devices based on this latter technology have not been reported yet. These three reasons make LC-based reflectarrays attractive for many applications that involve the use of electronically reconfigurable beams at frequencies beyond 60 GHz. Applications such as high resolution imaging radars, molecular spectroscopy, radiometers for atmospheric observation, or high frequency wireless communications (WiGig) are just some of them. This thesis is divided into three parts. In the first part, the most common properties of the liquid crystal materials are described, especially those exhibited in the nematic phase. The study is focused on the dielectric anisotropy (Ac) of uniaxial liquid crystals, which is defined as the difference between the parallel (e/7) and perpendicular (e±) permittivities: Ae = e,, - e±. This parameter allows the permittivity of a LC confined in an arbitrary volume at a certain biasing voltage to be described by solving a variational problem that involves both the electrostatic and elastic energies. Thus, the frequency dependence of (Ae) is also described and characterised. Note that an appropriate LC modelling is quite important to ensure enough accuracy in the phase shift provided by each cell that makes up the reflectarray, and therefore to achieve a good electrical performance at the antenna level. The second part of the thesis is focused on the design of resonant reflectarray cells based on liquid crystal. The reason why resonant cells have been chosen lies in the fact that they are able to provide enough phase range using the values of the dielectric anisotropy of the liquid crystals, which are typically small. Thus, the aim of this part is to investigate several reflectarray cell architectures capable of providing good electrical performance at the antenna level, which significantly improve the electrical performance of the cells reported in the literature. Similarly, another of the objectives is to develop a general tool to design these cells. To fulfill these objectives, the electrical yields of different types of resonant reflectarray elements are investigated, beginning from the simplest, which is made up of a single resonator and limits the state of the art. To overcome the electrical limitations of the single resonant cell, several elements consisting of multiple resonators are considered, which can be single-layer or multilayer. In a first step, the design procedure of these structures makes use of a conventional electromagnetic model which has been used in the literature, which considers that the liquid crystal behaves as homogeneous and isotropic materials whose permittivity varies between (e/7) y (e±). However, in this part of the thesis it is shown that the conventional modelling is not enough to describe the physical behaviour of the liquid crystal in reflectarray cells accurately. Therefore, a more accurate analysis and design procedure based on a more general model is proposed and developed, which defines the liquid crystal as an anisotropic three-dimensional inhomogeneous material. The design procedure is able to optimize multi-resonant cells efficiently to achieve good electrical performance in terms of bandwidth, phase range, losses, or sensitivity to the angle of incidence. The errors made when the conventional modelling (amplitude and phase) is considered have been also analysed for various cell geometries, by using measured results from several antenna prototypes made up of real liquid crystals at frequencies above 100 GHz. The measurements have been performed in a periodic environment using a quasi-optical bench, which has been designed especially for this purpose. One of these prototypes has been optimized to achieve a relatively large bandwidth (10%) at 100 GHz, low losses, a phase range of more than 360º, a low sensitivity to angle of incidence, and a low influence of the transversal inhomogeneity of the liquid crystal in the cell. The electrical yields of this prototype at the cell level improve those achieved by other elements reported in the literature, so that this prototype has been used in the last part of the thesis to perform several complete antennas for beam scanning applications. Finally, in this second part of the thesis, a novel strategy to characterise the macroscopic anisotropy using reflectarray cells is presented. The results in both RF and AC frequencies are compared with those obtained by other methods. The third part of the thesis consists on the study, design, manufacture and testing of LCbased reflectarray antennas in complex configurations. Note that the design procedure of a passive reflectarray antenna just consists on finding out the dimensions of the metallisations of each cell (which are used for phase control), using well-known optimization processes. However, in the case of reconfigurable reflectarrays based on liquid crystals, an additional step must be taken into account, which consists of accurately calculating the control voltages to be applied to each cell to configure the required phase-shift distribution on the surface of the antenna. Similarly, the structure to address the voltages at each cell and the control circuitry must be also considered. Therefore, the voltage synthesis is even more important than the design of the cell geometries (dimensions), since the voltages are directly related to the phase-shift. Several voltage synthesis procedures have been proposed in the state of the art, which are based on the experimental characterization of the phase/voltage curve. However, this characterization can be only carried out at a single angle of incidence and at certain cell dimensions, so that the synthesized voltages are different from those needed, thus giving rise to phase errors of more than 70°. Thus, the electrical yields of the LCreflectarrays reported in the literature are limited in terms of bandwidth, scanning range or side lobes level. In this last part of the thesis, a new voltage synthesis procedure has been defined and developed, which allows the required voltage to be calculated at each cell using simulations that take into account the particular dimensions of the cells, their angles of incidence, the frequency, and the AC biasing signal (frequency and waveform). The strategy is based on the modelling of each one of the permittivity states of the liquid crystal as an anisotropic substrate with longitudinal inhomogeneity (1D), or in certain cases, as an equivalent homogeneous tensor. The accuracy of both electromagnetic models is also discussed. The phase errors made by using the proposed voltage synthesis are better than 7º. In order to obtain an efficient tool to analyse and design the reflectarray, an electromagnetic analysis tool based on the Method of Moments in the spectral domain (SD-MoM) has also written and developed for anisotropic stratified media, which is used at each iteration of the voltage synthesis procedure. The voltage synthesis is also designed to minimize the effect of amplitude ripple on the radiation pattern, which is typical of reflectarrays made up of cells exhibiting high losses and represents a further advance in achieving a better antenna performance. To calculate the radiation patterns used in the synthesis procedure, an element-by-element analysis is assumed, which considers the local periodicity approach. Under this consideration, the use of a novel method is proposed, which avoids the limitation that the local periodicity imposes on the excitation. Once the appropriate strategy to calculate the voltages to be applied at each cell is developed, and once it is designed and manufactured both the structure to address the voltages to the antenna and the control circuits, two complete LC-based reflectarray antennas that operate at 100 GHz have been designed, manufactured and tested using the previously presented cells. The first prototype consists of a single offset reflectarray with beam scanning capabilities on one plane (elevation and azimuth). Although several LC-reflectarray antennas that provide 2-D scanning capabilities are also designed, and certain strategies to achieve the 2-D addressing of the voltage are proposed, the manufactured prototype addresses the voltages in one dimension in order to reduce the number of controls and manufacturing errors, and thereby validating the design tool. For an average aperture size (with a number of rows and columns of between 30 and 50 elements, which means a reflectarray with more than 900 cells), the single offset configuration provides an antenna gain of between 20 and 30 dBi and a large scanning range. The prototype tested at 100 GHz exhibits an electronically scanned beam in an angular range of 55º and 8% of bandwidth, in which the side lobe level (SLL) remains better than -13 dB. The maximum gain is 19.4 dBi. The electrical performance of the antenna is clearly an improvement on those achieved by other authors in the state of the art. The second prototype corresponds to a dual reflector antenna with a liquid crystal-based reflectarray used as a sub-reflector for beam scanning in one plane (azimuth or elevation). The main objective is to obtain a higher gain than that provided by the single offset configuration, but using a more compact architecture. In this case, a maximum gain of 35 dBi is achieved, although at the expense of reducing the scanning range to 12°, which is inherent in this type of structure. As a general statement, the voltage synthesis and the design procedure of the cells, jointly make up a complete, accurate and efficient design tool of reconfigurable reflectarray antennas based on liquid crystals. The tool has been validated by testing the previously mentioned prototypes at 100 GHz, which achieve something never reached before for this type of antenna: a competitive electrical performance, and an excellent prediction of the results. The design procedure is general and therefore can be used at any frequency for which the liquid crystal exhibits dielectric anisotropy. The two prototypes designed, manufactured and tested in this thesis are also some of the first antennas that currently operate at frequencies above 100 GHz. In fact, the dual reflector antenna is the first electronically scanned dual reflector antenna at frequencies above 60 GHz (the operation frequency is 100 GHz) with a gain greater than 25 dBi, being in turn the first dual-reflector antenna with a real reconfigurable sub-reflectarray. Finally, some improvements that should be still investigated to make these antennas commercially competitive are proposed.

Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.