Desarrollo y aplicaciones de radares de alta resolución en bandas milimétricas

Las bandas de las denominadas ondas milimétricas y submilimétricas están situadas en la región del espectro entre las microondas y el infrarrojo. La banda de milimétricas se sitúa entre 30 y 300 GHz, considerada normalmente como la banda EHF (Extremely High Frequency). El margen de frecuencias entre 300 y 3000 GHz es conocido como la banda de ondas submilimétricas o de terahercios (THz). Sin embargo, no toda la comunidad científica está de acuerdo acerca de las frecuencias que limitan la banda de THz. De hecho, 100 GHz y 10 THz son considerados comúnmente como los límites inferior y superior de dicha banda, respectivamente. Hasta hace relativamente pocos años, la banda de THz sólo había sido explotada para aplicaciones en los campos de la espectroscopía y la radioastronomía. Los avances tecnológicos en la electrónica de microondas y la óptica lastraron el desarrollo de la banda de THz. Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado las ventajas asociadas a operar en estas longitudes de onda, lo que ha aumentado el interés y los esfuerzos dedicados a la tecnología de THz. A pesar de que han surgido un gran número de aplicaciones, una de las más prometedoras está en el campo de la vigilancia y la seguridad. Esta tesis está dedicada al desarrollo de radares de onda continua y frecuencia modulada (CW-LFM) de alta resolución en la banda de milimétricas, más concretamente, en las ventanas de atenuación situadas en 100 y 300 GHz. Trabajar en estas bandas de frecuencia presenta beneficios tales como la capacidad de las ondas de atravesar ciertos materiales como la ropa o el papel, opacos en el rango visible, y la posibilidad de usar grandes anchos de banda, obteniéndose así elevadas resoluciones en distancia. Los anchos de banda de 9 y 27 GHz seleccionados para los sistemas de 100 y 300 GHz, respectivamente, proporcionan resoluciones en distancia alrededor y por debajo del cm. Por otro lado, las aplicaciones objetivo se centran en la adquisición de imágenes a corto alcance. En el caso del prototipo a 300 GHz, su diseño se ha orientado a aplicaciones de detección a distancia en escenarios de vigilancia y seguridad. La naturaleza no ionizante de esta radiación supone una ventaja frente a las alternativas tradicionalmente usadas tales como los sistemas de rayos X. La presente tesis se centra en el proceso de diseño, implementación y caracterización de ambos sistemas así como de la validación de su funcionamiento. Se ha elegido una solución basada en componentes electrónicos, y no ópticos, debido a su alta fiabilidad, volumen reducido y amplia disponibilidad de componentes comerciales. Durante el proceso de diseño e implementación, se han tenido en cuenta varias directrices tales como la minimización del coste y la versatilidad de los sistemas desarrollados para hacer posible su aplicación para múltiples propósitos. Ambos sistemas se han utilizado en diferentes pruebas experimentales, obteniendo resultados satisfactorios. Aunque son sólo ejemplos dentro del amplio rango de posibles aplicaciones, la adquisición de imágenes ISAR de modelos de blancos a escala para detección automática así como la obtención de datos micro-Range/micro- Doppler para el análisis de patrones humanos han validado el funcionamiento del sistema a 100 GHz. Por otro lado, varios ejemplos de imágenes 3D obtenidas a 300 GHz han demostrado las capacidades del sistema para su uso en tareas de seguridad y detección a distancia. ABSTRACT The millimeter- and submillimeter-wave bands are the regions of the spectrum between the microwaves and the infrared (IR). The millimeter-wave band covers the range of the spectrum from 30 to 300 GHz, which is usually considered as the extremely high frequency (EHF) band. The range of frequencies between 300 and 3000 GHz is known as the submillimeter-wave or terahertz (THz) band. Nevertheless, the boundaries of the THz band are not accepted by the whole research community. In fact, 100 GHz and 10 THz are often considered by some authors as the lower and upper limit of this band, respectively. Until recently, the THz band had not been exploited for practical applications, with the exception of minor uses in the fields of spectroscopy and radio astronomy. The advancements on microwave electronics and optical technology left the well-known THz gap undeveloped. However, recent research has unveiled the advantages of working at these frequencies, which has motivated the increase in research effort devoted to THz technology. Even though the range of upcoming applications is wide, the most promising ones are in the field of security and surveillance. Particularly, this Ph.D. thesis deals with the development of high resolution continuouswave linear-frequency modulated (CW-LFM) radars in the millimeter-wave band, namely, in the attenuation windows located at 100 and 300 GHz. Working at these wavelengths presents several benefits such as the ability of radiation to penetrate certain materials, visibly opaque, and the great availability of bandwidth at these frequencies, which leads to high range resolution. The selected bandwidths of 9 and 27 GHz for these systems at 100 and 300 GHz, respectively, result in cm and sub-cm range resolution. On the other hand, the intended applications are in the field of short-range imaging. In particular, the design of the 300-GHz prototype is oriented to standoff detection for security and surveillance scenarios. The non-ionizing nature of this radiation allows safety concerns to be alleviated, in clear contrast to other traditional alternatives such as X-rays systems. This thesis is focused on the design, implementation and characterization process of both systems as well as the experimental assessment of their performances. An electronic approach has been selected instead of an optical solution so as to take advantage of its high reliability, reduced volume and the availability of commercial components. Through the whole design and implementation process, several guidelines such as low cost and hardware versatility have been also kept in mind. Taking advantage of that versatility, different applications can be carried out with the same hardware concept. Both radar systems have been used in several experimental trials with satisfactory results. Despite being mere examples within the wide range of fields of application, ISAR imaging of scaled model targets for automatic target recognition and micro-Range/micro-Doppler analysis of human patterns have validated the system performance at 100 GHz. In addition, 3D imaging examples at 300 GHz demonstrate the radar system’s capabilities for standoff detection and security tasks.

Contribución a los arrays de antenas activos en microondas = Contribution to active array antennas at microwave bands

Esta tesis que tiene por título "Contribución a los arrays de antenas activos en banda X", ha sido desarrollada por el estudiante de doctorado Gonzalo Expósito Domínguez, ingeniero de telecomunicación en el Grupo de Radiación del Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones de la ETSI de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid bajo la dirección de los doctores Manuel Sierra Castañer y José Manuel Fernández González. Esta tesis contiene un profundo estudio del arte en materia de antenas activas en el campo de apuntamiento electrónico. Este estudio comprende desde los fundamentos de este tipo de antenas, problemas de operación y limitaciones hasta los sistemas actuales más avanzados. En ella se identifican las partes críticas en el diseño y posteriormente se llevan a la práctica con el diseño, simulación y construcción de un subarray de una antena integrada en el fuselaje de un avión para comunicaciones multimedia por satélite que funciona en banda X. El prototipo consta de una red de distribución multihaz de banda ancha y una antena planar. El objetivo de esta tesis es el de aplicar nuevas técnicas al diseño de antenas de apuntamiento electrónico. Es por eso que las contribuciones originales son la aplicación de barreras electromagnéticas entre elementos radiantes para reducir los acoplamientos mutuos en arrays de exploración electrónica y el diseño de redes desfasadoras sencillas en las que no son necesarios complejos desfasadores para antenas multihaz. Hasta la fecha, las barreras electromagnéticas, Electronic Band Gap (EBG), se construyen en sustratos de permitividad alta con el fin de aumentar el espacio disponible entre elementos radiantes y reducir el tamaño de estas estructuras. Sin embargo, la utilización de sustratos de alta permitividad aumenta la propagación por ondas de superficie y con ellas el acoplo mutuo. Utilizando sustratos multicapa y colocando la vía de las estructuras en su borde, en vez de en su centro, se consigue reducir el tamaño sin necesidad de usar sustratos de alta permitividad, reducir la eficiencia de radiación de la antena o aumentar la propagación por ondas de superficie. La última parte de la tesis se dedica a las redes conmutadoras y desfasadoras para antenas multihaz. El diseño de las redes de distribución para antenas son una parte crítica ya que se comportan como un atenuador a la entrada de la cadena receptora, modificando en gran medida la figura de ruido del sistema. Las pérdidas de un desfasador digital varían con el desfase introducido, por ese motivo es necesario caracterizar y calibrar los dispositivos correctamente. Los trabajos presentados en este manuscrito constan de un desfasador reflectivo con un conmutador doble serie paralelo para igualar las pérdidas de inserción en los dos estados y también un conmutador de una entrada y dos salidas cuyos puertos están adaptados en todo momento independientemente del camino del conmutador para evitar las reflexiones y fugas entre redes o elementos radiantes. El tomo finaliza con un resumen de las publicaciones en revistas científicas y ponencias en congresos, nacionales e internacionales, el marco de trabajo en el que se ha desarrollado, las colaboraciones que se han realizado y las líneas de investigación futuras. ABSTRACT This thesis was carried out in the Radiation Group of the Signals, Systems and Radiocomunications department of ETSI de Telecomunicación from Technical University of Madrid. Its title is "Contribution to active array antennas at X band" and it is developed by Gonzalo Expósito Domínguez, Electrical Engineer MsC. under the supervision of Prof. Dr. Manuel Sierra Castañer and Dr. José Manuel Fernández González. This thesis is focused on active antennas, specifically multibeam and electronic steering antenas. In the first part of the thesis a thorough description of the state of the art is presented. This study compiles the fundamentals of this antennas, operation problems and limits, up to the breakthrough applications. The critical design problems are described to use them eventually in the design, simulation and prototyping of an airborne steering array antenna for satellite communication at X band. The main objective of this thesis is to apply new techniques to the design of electronically steering antennas. Therefore the new original contributions are the application of Electromagnetic Band Gap materials (EBG) between radiating elements to reduce the mutual coupling when phase shift between elements exist and phase shifting networks where special characteristics are required. So far, the EBG structures have been constructed with high permitivity substrates in order to increase the available space between radiating elements and reduce the size of the structures. However, the surface wave propagation modes are enhanced and therefore the mutual coupling increases when high permitivity substrates are used. By using multilayered substrates and edge location via, the size is reduced meanwhile low permitivity substrates are used without reducing the radiation efficiency or enhancing the surface propagation modes. The last part of the thesis is focused on the phase shifting distribution networks for multibeam antennas. This is a critical part in the antenna design because the insertion loss in the distribution network behaves as an attenuator located in the first place in a receiver chain. The insertion loss will affect directly to the receiver noise figure and the insertion loss in a phase shifter vary with the phase shift. Therefore the devices must be well characterized and calibrated in order to obtain a properly operation. The work developed in this thesis are a reflective phase shifter with a series-shunt switch in order to make symmetrical the insertion loss for the two states and a complex Single Pole Double Through (SPDT) with matched ports in order to reduce the reflections and leakage between feeding networks and radiating elements. The end of this Ph D. dissertation concludes with a summary of the publications in national and international conferences and scientific journals, the collaborations carried out along the thesis and the future research lines.