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. / 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. / <p>QC 20161206</p>

A simple and novel dual-CP printed antenna is modelled and measured. The patch antennais small and achieves a low axial ratio without quadrature feeding. The measured pattern showsaxial ratio pattern squinting over frequency. Possible methods of improving the individual element are discussed, as well as an array technique for improving the axial ratio bandwidth. Three endfire printed antenna structures are designed, analyzed, and compared. The comparison includes an analysis of costs of production for the antenna structures in addition to their performance parameters. This analysis concludes that cost of materials primarily reduces the size of antennas for a given gain and bandwidth. An antenna stucture with an annular beam pattern for down-looking navigational radar is proposed. The antenna uses sub-wavelength grating techniques from optics to achieve a highly directive planar reflector which is used as a ground plane for a monopole. A fan-beam array element is fabricated for use in a digitally steered receive array for obstacle avoidance radar. The steered beam pattern is observed. The element-dependent phase shifts for a homodyned signal in particular are explored as to their impact on beam steering.

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Les systèmes de communications sans fils actuels imposent des contraintes très sévères en termes de la capacité du canal, la qualité de transmission tout en gardant les niveaux d'interférences et multi-trajets assez faibles. De telles contraintes ont rendu les antennes multifaisceaux un élément essentiel dans ces systèmes. Parmi les techniques permettant de réaliser une antenne multifaisceaux (sans avoir recours aux systèmes à balayages électroniques), un réseau d'antennes élémentaires est associé à un réseau d'alimentation (une matrice) à formation de faisceau (Beam Forming Network-BFN). Parmi les différents types de ces matrices, la matrice de Butler a reçu une attention particulière. Ceci est dû au fait qu'elle est théoriquement sans pertes et qu'elle emploie un nombre minimum de composants (coupleurs et déphaseurs) afin de générer l'ensemble de faisceaux orthogonaux demandé (avec l'hypothèse que le nombre de faisceau est une puissance de 2). Néanmoins, la matrice de Butler a un problème de conception majeur. Ce problème réside dans la structure de la matrice qui renferme des croisements ce qui a été adressé par différents travaux de recherches dans la littérature. Les Guide Intégré au Substrat (GIS) offrent des caractéristiques intéressants pour la conception des composants microondes et millimétriques faciles à intégrer sur un même support avec d'autres composants planaires. Les composants à base de GIS combinent les avantages des guides d'ondes rectangulaires, comme leur grand facteur de qualité Q, leur faibles pertes tout en étant compatible avec les technologies à faibles coûts comme le PCB et le LTCC. Vus ses caractéristiques attrayants, la technologie GIS devient un bon candidat pour la réalisation des matrices multifaisceaux faciles à intégrer avec d'autres systèmes en technologies planaires ou à base de guide GIS. Dans cette thèse, de nouveaux composants passifs sont développés en exploitant la technologie GIS en multicouches en vue de la réalisation d'une matrice de Butler 4x4 compacte et large bande. Les composants recherchés sont donc des coupleurs et des déphaseurs ayant des performances large bande en termes des amplitudes des coefficients de transmissions et les phases associés tout en gardant de faibles niveaux de pertes et de bonnes isolations. Différents techniques pour l'implémentation de déphaseurs large bande en technologie GIS sont présentés. Une nouvelle structure à base d'une propagation composite : main gauche main droite (Composite Right/Left- Handed, CRLH) dans un guide d'onde est proposée. La structure consiste d'un guide d'onde monocouche ayant des fenêtres inductives et des fentes transversales à réactances capacitives pour synthétiser l'inductance parallèle et la capacité série main gauche, respectivement. La structure est adaptée pour les réalisations de déphaseurs compacts en technologie GIS. Bien que les pertes d'insertions restent dans le même ordre de grandeur de celles des structures CRLH à base d'éléments non-localisés, ces niveaux de pertes restent relativement grands par rapport aux applications nécessitant plusieurs déphaseurs. Les déphaseurs à bases de GIS ayant des longueurs égales et des largeurs variables sont ensuite abordés. Ce type de déphaseur est effectivement très adapté à la technologie GIS qui permet des réalisations de parcours avec différentes formes (parcours droits, courbés, coudés, ..) tout en assurant des différences de phase large bande. Afin de satisfaire de faibles pertes d'insertions pour une large dynamique de phase, la longueur de ces déphaseurs est en compromis avec les variations progressives des différentes largeurs associées aux valeurs de déphasages requises. Une transition large bande, double couche et à faible perte est ainsi proposée. La transition est analysée à partir de son circuit électrique équivalent afin d'étudier les performances en termes de l'amplitude et la phase du coefficient de transmission par rapport aux différents paramètres structurels de la transition. Cette transition est ensuite exploitée pour développer un déphaseur à trois couches, large bande, en GIS. La structure consiste effectivement d'un guide d'onde replié à plusieurs reprises sur luimême selon la longueur dans une topologie trois couches à faibles pertes. De nouveaux coupleurs double couche en GIS sont également proposés. Pour les applications BFNs, une structure originale d'un coupleur large bande est développée. La structure consiste de deux guides d'onde parallèles qui partagent leur grand mur ayant une paire de fentes inclinées et décalées par rapport au centre de la structure. Une étude paramétrique détaillée est faite pour étudier l'impact des différents paramètres des fentes sur l'amplitude et la phase du coefficient de transmission. Le coupleur proposé a l'avantage d'assurer une large dynamique de couplage ayant des performances larges bandes en termes des amplitudes et les phases des coefficients de transmission avec de faibles pertes et de bonnes isolations entre le port d'entré et celui isolé. D'autre part, contrairement à d'autres travaux antérieurs et récents qui souffraient d'une corrélation directe entre la phase en transmission et le niveau de couplage, la structure proposée permet de contrôler le niveau de couplage en maintenant presque les mêmes valeurs de phase en transmission pour différents niveaux de couplage. Ceci le rend un bon candidat pour les BFNs déployant différents coupleurs telle la matrice de Nolen. Une deuxième structure originale d’un coupleur bibande est également proposée. La structure consiste de deux coupleurs concentriques en guide nervuré intégré au substrat avec un motif innovant de démultiplexage à base de GIS. Ce coupleur a été développé conjointement avec M. Tarek Djerafi de l’Ecole Polytechnique de Montréal dans un cadre de collaboration avec le Prof. Ke Wu. Finalement, pour l'implémentation de la matrice de Butler, la topologie double couche est explorée à deux niveaux. Le premier consiste à optimiser les caractéristiques électriques de la matrice, tandis que le second concerne l'optimisation de la surface occupée afin de rendre la matrice la plus compacte possible sans dégrader ses performances électriques. D'une part, la structure double couche présente une solution intrinsèque au problème de croisement permettant ainsi une plus grande flexibilité pour la compensation de phase sur une large bande de fréquence. Ceci est réalisé par une conception adéquate de la surface géométrique sur chaque couche de substrat et optimiser les différentes sections de GIS avec les différents parcours adoptés. La deuxième étape consiste effectivement à optimiser la surface sur chaque couche en profitant de la technologie GIS. Ceci consiste à réaliser des murs latéraux communs entre différents chemin électrique de la matrice en vue d'une compacité optimale. Les deux prototypes de matrices de Butler 4x4 sont optimisés, fabriqués et mesurés. Les résultats de mesures sont en bon accord avec ceux de la simulation. Des niveaux d'isolations mieux que - 15 dB avec des niveaux de réflexions inférieurs à -12 dB sont validés expérimentalement sur plus de 24% de bande autour de 12.5 GHz. Les coefficients de transmission montrent de faibles dispersions d'environ 1 dB avec une moyenne de -6.8 dB, et 10° par rapport aux valeurs théoriques, respectivement, sur toute la bande de fréquence. / Multibeam antennas have become a key element in nowadays wireless communication systems where increased channel capacity, improved transmission quality with minimum interference and multipath phenomena are severe design constraints. These antennas are classified in two main categories namely adaptive smart antennas and switched-beam antennas. Switched-beam antennas consist of an elementary antenna array connected to a Multiple Beam Forming Network (M-BFN). Among the different M-BFNs, the Butler matrix has received particular attention as it is theoretically lossless and employs the minimum number of components to generate a given set of orthogonal beams (provided that the number of beams is a power of 2). However, the Butler matrix has a main design problem which is the presence of path crossings that has been previously addressed in different research works. Substrate Integrated Waveguide (SIW) features interesting characteristics for the design of microwave and millimetre-wave integrated circuits. SIW based components combine the advantages of the rectangular waveguide, such as the high Q factor (low insertion loss) and high power capability while being compatible with low-cost PCB and LTCC technologies. Owing to its attractive features, the use of SIW technology appears as a good candidate for the implementation of BFNs. The resulting structure is therefore suitable for both waveguide-like and planar structures. In this thesis, different novel passive components (couplers and phase shifters) have been developed exploring the multi-layer SIW technology towards the implementation of a two-layer compact 4×4 Butler matrix offering wideband performances for both transmission magnitudes and phases with good isolation and input reflection characteristics. Different techniques for the implementation of wideband fixed phase shifters in SIW technology are presented. First, a novel waveguide-based CRLH structure is proposed. The structure is based on a single-layer waveguide with shunt inductive windows (irises) and series transverse capacitive slots, suitable for SIW implementations for compact phase shifters. The structure suffers relatively large insertion loss which remains however within the typical range of non-lumped elements based CRLH implementations. Second, the well-known equal length, unequal width SIW phase shifters is discussed. These phase shifters are very adapted for SIW implementations as they fully exploit the flexibility of the SIW technology in different path shapes while offering wideband phase characteristics. To satisfy good return loss characteristics with this type of phase shifters, the length has to be compromised with respect to the progressive width variations associated with the required phase shift values. A twolayer, wideband low-loss SIW transition is then proposed. The transition is analyzed using its equivalent circuit model bringing a deeper understanding of its transmission characteristics for both amplitude and phase providing therefore the basic guidelines for electromagnetic optimization. Based on its equivalent circuit model, the transition can be optimized within the well equal-length SIW phase shifters in order to compensate its additional phase shift within the frequency band of interest. This twolayer wideband phase shifter scheme has been adopted in the final developed matrix architecture.This transition is then exploited to develop a three-layer, multiply-folded waveguide structure as a good candidate for compensated-length, variable width, low-loss, compact wideband phase shifters in SIW technology. Novel two-layer SIW couplers are also addressed. For BFNs applications, an original structure for a two-layer 90° broadband coupler is developed. The proposed coupler consists of two parallel waveguides coupled together by means of two parallel inclined-offset resonant slots in their common broad wall. A complete parametric study of the coupler is carried out including the effect of the slot length, inclination angle and offset on both the coupling level and the transmission phase. The first advantage of the proposed coupler is providing a wide coupling dynamic range by varying the slot parameters allowing the design of wideband SIW Butler matrix in two-layer topology. In addition, previously published SIW couplers suffer from direct correlation between the transmission phase and the coupling level, while the coupler, hereby proposed, allows controlling the transmission phase without significantly affecting the coupling level, making it a good candidate for BFNs employing different couplers, such as, the Nolen matrix. A novel dual-band hybrid ring coupler is also developed in multi-layer Ridged SIW (RSIW) technology. This coupler has been jointly developed with Tarek Djerafi in a collaboration scenario with Prof. Ke Wu from the Ecole Polytechnique de Montréal. The coupler has an original structure based on two concentric rings in RSIW topology with the outer ring periodically loaded with radial, stub-loaded transverse slots. A design procedure is presented based on the Transverse Resonance Method (TRM) of the ridged waveguide together with the simple design rules of the hybrid ring coupler. A C/K dual band coupler with bandwidths of 8.5% and 14.6% centered at 7.2 GHz and 20.5 GHz, respectively, is presented. The coupler provides independent dual band operation with low-dispersive wideband operation. Finally, for the Butler matrix design, the two-layer SIW implementation is explored through a two-fold enhancement approach for both the matrix electrical and physical characteristics. On the one hand, the two-layer topology allows an inherent solution for the crossing problem allowing therefore more flexibility for phase compensation over a wide frequency band. This is achieved by proper geometrical optimization of the surface on each layer and exploiting the SIW technology in the realization of variable width waveguides sections with the corresponding SIW bends. On the other hand, the two-layer SIW technology is exploited for an optimized space saving design by implementing common SIW lateral walls for the matrix adjacent components seeking maximum size reduction. The two corresponding 4×4 Butler matrix prototypes are optimized, fabricated and measured. Measured results are in good agreement with the simulated ones. Isolation characteristics better than -15 dB with input reflection levels lower than -12 dB are experimentally validated over 24% frequency bandwidth centered at 12.5 GHz. Measured transmission magnitudes and phases exhibit good dispersive characteristics of 1dB, around an average value of -6.8 dB, and 10° with respect to the theoretical phase values, respectively, over the entire frequency band.

[ES] Se espera que las futuras comunicaciones móviles experimenten una revolución técnica que vaya más allá de las velocidades de datos de Gbps y reduzca las latencias de las velocidades de datos a niveles muy cercanos al milisegundo. Se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras para lograr estas exigentes especificaciones. Y la utilización de las bandas de ondas milimétricas, donde hay mucho espectro disponible, es una de ellas. Debido a las numerosas dificultades técnicas asociadas a la utilización de esta banda de frecuencias, se necesitan complicados modelos de canal para anticipar las características del canal de radio y evaluar con precisión el rendimiento de los sistemas celulares en milimétricas. En concreto, los modelos de propagación más precisos son los basados en técnicas de trazado de rayos deterministas. Pero estas técnicas tienen el estigma de ser computacionalmente exigentes, y esto dificulta su uso para caracterizar el canal de radio en escenarios interiores complejos y dinámicos. La complejidad de la caracterización de estos escenarios depende en gran medida de la interacción del cuerpo humano con el entorno radioeléctrico, que en las ondas milimétricas suele ser destructiva y muy impredecible. Por otro lado, en los últimos años, la industria de los videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para entornos hiperrealistas, donde la mayor parte de los avances en esta emulación de la realidad tienen que ver con el manejo de la luz. Así, los motores gráficos de estas plataformas se han vuelto cada vez más eficientes para manejar grandes volúmenes de información, por lo que son ideales para emular el comportamiento de la propagación de las ondas de radio, así como para reconstruir un escenario interior complejo. Por ello, en esta Tesis se ha aprovechado la capacidad computacional de este tipo de herramientas para evaluar el canal radioeléctrico milimétricas de la forma más eficiente posible. Esta Tesis ofrece unas pautas para optimizar la propagación de la señal en milimétricas en un entorno interior dinámico y complejo, para lo cual se proponen tres objetivos principales. El primer objetivo es evaluar los efectos de dispersión del cuerpo humano cuando interactúa con el canal de propagación. Una vez evaluado, se propuso un modelo matemático y geométrico simplificado para calcular este efecto de forma fiable y rápida. Otro objetivo fue el diseño de un reflector pasivo modular en milimétricas, que optimiza la cobertura en entornos de interior, evitando la interferencia del ser humano en la propagación. Y, por último, se diseñó un sistema de apuntamiento del haz predictivo en tiempo real, para que opere con el sistema de radiación en milimétricas, cuyo objetivo es evitar las pérdidas de propagación causadas por el cuerpo humano en entornos interiores dinámicos y complejos. / [CA] S'espera que les futures comunicacions mòbils experimenten una revolució tècnica que vaja més enllà de les velocitats de dades de Gbps i reduïsca les latències de les velocitats de dades a nivells molt pròxims al milisegundo. S'han investigat noves tecnologies habilitadoras per a aconseguir estes exigents especificacions. I la utilització de les bandes d'ones millimètriques, on hi ha molt espectre disponible, és una d'elles. A causa de les nombroses dificultats tècniques associades a la utilització d'esta banda de freqüències, es necessiten complicats models de canal per a anticipar les característiques del canal de ràdio i avaluar amb precisió el rendiment dels sistemes cellulars en millimètriques. En concret, els models de propagació més precisos són els basats en tècniques de traçat de rajos deterministes. Però estes tècniques tenen l'estigma de ser computacionalment exigents, i açò dificulta el seu ús per a caracteritzar el canal de ràdio en escenaris interiors complexos i dinàmics. La complexitat de la caracterització d'estos escenaris depén en gran manera de la interacció del cos humà amb l'entorn radioelèctric, que en les ones millimètriques sol ser destructiva i molt impredicible. D'altra banda, en els últims anys, la indústria dels videojocs ha desenrotllat potents ferramentes per a entorns hiperrealistes, on la major part dels avanços en esta emulació de la realitat tenen a veure amb el maneig de la llum. Així, els motors gràfics d'estes plataformes s'han tornat cada vegada més eficients per a manejar grans volums d'informació, per la qual cosa són ideals per a emular el comportament de la propagació de les ones de ràdio, així com per a reconstruir un escenari interior complex. Per això, en esta Tesi s'ha aprofitat la capacitat computacional d'este tipus de ferramentes per a avaluar el canal radioelèctric millimètriques de la manera més eficient possible. Esta Tesi oferix unes pautes per a optimitzar la propagació del senyal en millimètriques en un entorn interior dinàmic i complex, per a la qual cosa es proposen tres objectius principals. El primer objectiu és avaluar els efectes de dispersió del cos humà quan interactua amb el canal de propagació. Una vegada avaluat, es va proposar un model matemàtic i geomètric simplificat per a calcular este efecte de forma fiable i ràpida. Un altre objectiu va ser el disseny d'un reflector passiu modular en millimètriques, que optimitza la cobertura en entorns d'interior, evitant la interferència del ser humà en la propagació, per a així evitar pèrdues de propagació addicionals. I, finalment, es va dissenyar un sistema d'apuntament del feix predictiu en temps real, perquè opere amb el sistema de radiació en millimètriques, l'objectiu del qual és evitar les pèrdues de propagació causades pel cos humà en entorns interiors dinàmics i complexos. / [EN] Future mobile communications are expected to experience a technical revolution that goes beyond Gbps data rates and reduces data rate latencies to levels very close to a millisecond. New enabling technologies have been researched to achieve these demanding specifications. The utilization of mmWave bands, where a lot of spectrum is available, is one of them. Due to the numerous technical difficulties associated with using this frequency band, complicated channel models are necessary to anticipate the radio channel characteristics and to accurately evaluate the performance of cellular systems in mmWave. In particular, the most accurate propagation models are those based on deterministic ray tracing techniques. But these techniques have the stigma of being computationally intensive, and this makes it difficult to use them to characterize the radio channel in complex and dynamic indoor scenarios. The complexity of characterizing these scenarios depends largely on the interaction of the human body with the radio environment, which at mmWaves is often destructive and highly unpredictable. On the other hand, in recent years, the video game industry has developed powerful tools for hyper-realistic environments, where most of the progress in this reality emulation has to do with the handling of light. Therefore, the graphic engines of these platforms have become more and more efficient to handle large volumes of information, becoming ideal to emulate the radio wave propagation behavior, as well as to reconstruct a complex interior scenario. Therefore, in this Thesis one has taken advantage of the computational capacity of this type of tools to evaluate the mmWave radio channel in the most efficient way possible. This Thesis offers some guidelines to optimize the signal propagation in mmWaves in a dynamic and complex indoor environment, for which three main objectives are proposed. The first objective has been to evaluate the scattering effects of the human body when it interacts with the propagation channel. Once evaluated, a simplified mathematical and geometrical model has been proposed to calculate this effect in a reliable and fast way. Another objective has been the design of a modular passive reflector in mmWaves, which optimizes the coverage in indoor environments, avoiding human interference in the propagation, in order to avoid its harmful scattering effects. And finally, a real-time predictive beam steering system has been designed for the mmWaves radiation system, in order to avoid propagation losses caused by the human body in dynamic and complex indoor environments. / Romero Peña, JS. (2022). Human Body Scattering Effects at Millimeter Waves Frequencies for Future 5G Systems and Beyond [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191325

Phased array weather radar antennas with beam steering capabilities are suitable alternatives to weather radars with mechanically scanning reflector antennas. Dual-polarized phased-array weather radar antennas, however, demand careful assessment of the x-polar characteristics. The low x-pol radiation of polarimetric weather radar antennas is of significant importance for the proper classification and qualitative estimation of hydrometeors in illuminate volumes. Unfortunately, array antennas display changing x-pol contributions during the electronical beam steering process. Typically, the x-pol radiation will be substantially increased in the co-polar main beam direction but also in other angular directions. Consequently, it is a vital challenge to design arrays with low x-pol contribution during beam steering. In this dissertation a new phased-array weather radar concept is developed. The phased array system configuration can be used to substitute state-of-the-art weather radars with reflector antennas. Furthermore, a dense network of these phased-array radars can be used to substitute a network of high power weather radars, which are used nowadays. The research focus of this work is the development of a dual-polarized microstrip patch antenna with phased-array capability and very high polarization purity. In this regard, new graphical techniques are developed to investigate the causes and the reduction of the x-pol radiation of isolated (stand-alone) microstrip patch antennas. To further reduce the x-pol contribution of antennas, optimization methods have been investigated, evaluated and developed. For the first time in literature, differential-feed antenna arrays are compared to excitation optimized single-feed antenna arrays in their x-pol contribution in the boresight direction and during beam steering. In particular, two dual-polarized 4x8 antenna arrays have been developed and simulated by CST MWS, produced as multilayer PCB and verified at the compact antenna test range at RWTH Aachen. The results show that the x-pol contributions of arrays are significantly reduced for differentially-feed antenna arrays, even when beam steering is performed. During the azimuth scan of 120_ a record setting x-pol suppression of -45 dB and -36 dB could be measured for the horizontal and vertical polarization channels, respectively. / Wetterradarsysteme mit phasengesteuerten Antennen stellen eine echte Alternative zu Wetterradarsystemen mit mechanisch drehenden Reflektorantennen dar. Dual-polarisierte phasengesteuerte Antennen müssen jedoch sehr genau in ihrem Kreuzpolarisationsverhalten verifiziert werden, um für den Wetterradarbereich von Nutzen zu sein. Die Unterdrückung der kreuzpolaren Anteile von Radarantennen ist von fundamentaler Bedeutung, um Hydrometeore mit Hilfe von polarimetrischen Wetterradarsystemen klassifizieren und qualitativ bestimmen zu können. Die hohe Anforderung an Polarisationsreinheit ist mit aktuell erhältlichen Arraydesigns nur schwierig zu realisieren, da sich die Kreuzpolarisationsunterdrückung während des elektronischen Schwenks der Hauptkeule signifikant verschlechtert. Diese Dissertation stellt ein Wetterradar Systemkonzept mit phasengesteuerter Gruppenantenne vor, welches die aktuell genutzten Wetterradare mit Reflektorantennen ablösen könnte. Der Fokus der Arbeit wurde auf die Entwicklung einer Dual-polarimetrischen, polarisationsreinen und phasengesteuerten Mikrostreifenleiterantennen gelegt. Hierbei wurden neue grafische Verfahren entwickelt, die es ermöglichen, die Generierung der kreuzpolaren Anteile von isolierten Patchantennen (Einzelpatche) zu erklären und zu minimieren. Um die kreuzpolaren Anteile weiter herabzusetzen wurden Optimierungsverfahren für Arrayantennen erforscht, bewertet und neu entwickelt. Zum ersten Mal wurden differentiell gespeiste mit einzeln gespeisten Antennenarrays in ihrem Kreuzpolarisationsverhalten während des elektronischen Schwenks der Hauptkeule verglichen. Zwei Dual- polarimetrische 4x8 Antennenarrays (differentiell gespeist und mit optimierter Phasenansteuerung) wurden zu diesem Zweck mittels CST MWS entworfen, simuliert, als Multilagenplatine gefertigt und an der Antennentestanlage der RWTH Aachen vermessen. Die Resultate zeigen, dass die Kreuzpolarisationsanteile bei differentiell gespeisten Mikrostreifenleiterantennen in Gruppenkonfiguration, selbst beim elektronischen Schwenk der Hauptkeule, signifikant minimiert werden konnten. Für einen azimutalen Scanbereich von 120_ konnte eine exzellente Kreuzpolarisationsunterdrückung zwischen -45 dB und -36 dB messtechnisch für den horizontalen und vertikalen Polarisationskanal nachgewiesen werden.