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>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-197339 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Frid, Henrik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Licentiate thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/masterThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EE, 1653-5146 |
Page generated in 0.003 seconds