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Dissertation
Microfluidics Based 3D Printed Reconfigurable Antenna for K-Band Applications
Abstract
In dieser Arbeit werden neuartige mikrofluid-basierte, rekonfigurierbare Antennen für Mikrowellen-Anwendungen vorgestellt. Ebenfalls vorgestellt wird eine kosteneffektive Methode zur ultra-breitbandigen Erhöhung (definiert als Bandbreite von 20% oder höher als die zentrale Frequenz) des Antennengewinns basierend auf dielektrischen Linsen. Zunächst wird dabei ein fest-verdrahtetes Design entwickelt. Diese Antenne verwendet kapazitive Lasten, um die -10 dB Bandbreite um den Faktor 2.5 (+150%) zu erhöhen. Die vorgeschlagene Antenne ist ausgelegt für eine Frequenz von 24.2 GHz (mit einer Bandbreite von 1.8 GHz) und 24.5 GHz (mit einer Bandbreite von 4 GHz). Diese Antenne bildet die Grundlage für eine elektrisch rekonfigurierbare Antenne. Eine elektrisch rekonfigurierbare Antenne, basierend auf einem Galinstan-Aktuator wird darauf aufbauend vorgestellt. Die Betriebsfrequenz ist zentriert bei 24.2 GHz (mit einer Bandbreite von 1 GHz), und es wurden Breitbandeigenschaften (mit einer Bandbreite von 2 GHz) zentriert bei 24.7 GHz, entsprechend einer Steigerung der -10 dB Bandbreite der Antenne um den Faktor 2 (+100%), bestimmt. Die Aktuierung basiert auf der Beeinflussung der elektrischen Benetzungseigenschaften und der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Galinstan ist ein junges Material im Bezug auf die Nutzung in rekonfigurierbaren Mikrowellen-Anwendungen. Die Messungen der Oberflächenspannung von Galinstan als Funktion einer angelegten Gleichspannung wurde nach dem besten Wissen des Autors zum ersten Mal im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Die in dieser Arbeit vorgestellte Galinstan- basierte Aktuierung zeigt eine niedrige Aktuierungsspannung (1 V) und kommt ohne ständiges Aktuierungssignal aus, um den Ein- oder Auszustand zu erhalten. Die Bedeutung dieser Arbeit wird mittels eines Bewertungsfaktors (Figure of Merit, FoM) gezeigt. Verglichen werden die vorgestellte mikrofluid-basierte, rekonfiguierbare Antenne sowie Halbleiter-, MEMS- und Flüssigkristall-basierte Techniken. Die auf flüssigen Metallen basierende Technik zeigt im Vergleich einen signifikant höheren Bewertungsfaktor basierend auf Faktoren wie Aktuierungsspannung, Schaltrate, Leistungsverträglichkeit und linearer Skalierbarkeit. Die ungünstigen Auswirkungen auf das Abstrahlverhalten der Antenne durch zusätzliche dielektrische und leitfähige Materialien, die im reaktiven Feld der Antenne platziert werden, werden durch die Verwendung einer neuartigen 14 mm dünnen 3D-gedruckten dielektrischen Linse korrigiert. Die dielektrische Linse optimiert den Gewinn der Antenne, indem sie die quasi-sphärischen Wellen im Nahfeld der Antenne in eine ebene Welle im Nahfeld transformiert. Mit der dielektrischen Linse konnte eine Erhöhung des Antennengewinns um bis zu 6.9 dB gezeigt werden. Für die fest verdrahtete Antenne konnte ein Antennengewinn von 12 dBi bzw. 9 dBi für den kapazitiv unbelasteten und belasteten Zustand durch die dielektrische Linse erzielt werden. Für die Galinstan-basierte Antenne wurden für beide rekonfigurierbaren Zustände Antennengewinne von 5.2 dBi and 6.1 dBi erzielt. Die vorgestellten rekonfigurierbaren Antennen bieten einen angemessenen Gewinn, ein gutes Abstrahlverhalten und einen optimalen Einfügeverlust in allen Betriebszuständen. Herausforderungen, wie das Design mehrerer Ebenen, das Vorhandensein mehrerer Materialien in unmittelbarer Nähe sowie damit verbundene Verluste und Fertigungsprobleme wurden erfolgreich gelöst. Darüber hinaus wird ein sehr kostengünstiger Ansatz sowohl für die Materialauswahl als auch für die Fertigung präsentiert. Die Designs der Antenne sind experimentell bestätigt, eine gute Übereinstimmung der Messergebnisse mit Simulationsergebnissen konnte gezeigt werden. Die Betriebsfrequenzen der erstellten Antennen haben eine große Bedeutung bei Radaranwendungen im Automotive-Bereich. Die demonstrierten Techniken können jedoch entsprechend der gewünschten Frequenz wahlweise hoch- oder runterskaliert und somit in einem großen Bereich von Anwendungen eingesetzt werden.
A novel microfluidics based reconfigurable antenna for microwave applications, and a cost-effective ultra-broadband (defined as the bandwidth of 20% or higher than the center frequency) gain enhancement methodology based on dielectric lens are presented. Firstly, a hard-wired design is conceived. The hard-wired reconfigurable antenna employs capacitive loading technique to increase the -10 dB bandwidth by a factor of 2.5 (+150%). The proposed antenna is designed at the operational frequency of 24.2 GHz (with a bandwidth of 1.8 GHz) and 24.5 GHz (with a bandwidth of 4 GHz). The hard-wired antenna provides the foundation for an electronically actuated reconfigurable antenna. An electronically reconfigurable antenna based on galinstan actuation is then demonstrated. The operational frequencies are centered at 24.2 GHz (with a bandwidth of 1 GHz) and a wideband (with a bandwidth of 2 GHz) centered at 24.7 GHz, causing an increase of -10 dB bandwidth of the antenna by a factor of 2 (+100%), are recorded. The actuation is based on influencing electro-wetting properties and converting electrical energy into mechanical energy. Galinstan is an infantile material for its use in reconfigurable microwave applications, and the surface tension measurements of galinstan as a function of applied DC voltages are carried out for the first time in this work to the best of the author's knowledge. The galinstan-based actuation presented in this work demonstrates low actuation voltage (1 V), and a continuous actuation signal to maintain either the ON or OFF state is not required. The significance of this work is methodically presented by using figure of merit (FoM) between the proposed microfluidics based reconfigurable scheme, the semiconductors, micro electro-mechanical systems, and liquid crystals based reconfigurable techniques. Liquid metal based technique shows a significantly higher FoM number based on factors such as actuation voltages, switching rate, power handling, and linear scalability. The unfavorable effects on the radiation pattern of the antenna due to the presence of additional dielectric and conductive materials in the reactive field of the antenna, are corrected by using a novel 14 mm thin 3D printed dielectric lens. The dielectric lens streamlines the gain of the antenna by transforming the quasi-spherical waves in the near field of the antenna into a plane-wave, along the direction of propagation. A gain enhancement of up to 6.9 dB is demonstrated using the dielectric lens. A gain of 12 dBi and 9 dBi, were obtained for hard-wired reconfigurable antenna for unloaded and loaded states, by means of the dielectric lens, respectively. The gain values of 5.2 dBi and 6.1 dBi, are recorded for the two reconfigurable states for galinstan based antenna. The presented reconfigurable antennas offer a decent gain, good radiation pattern, and an optimal return loss at all operational states. Challenges such as multiple layers design, presence of several materials in the proximity, associated losses, and fabrication issues are successfully resolved. In addition, a very cost-effective approach is presented for both, material, and the fabrication platforms. The designs are experimentally verified through measurements and a very good agreement between the measured and simulated results is reported. The design frequencies have great significance for automotive radar applications. The technique demonstrated in this work can be scaled up or scaled down to a certain frequency of interest, and subsequently for a wide range of applications.
Citation
@phdthesis{doi:10.17170/kobra-202310138853,
author={Anwar, Muhammad Sohail},
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school={Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik/Informatik},
year={2023}
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Die vorgeschlagene Antenne ist ausgelegt für eine Frequenz von 24.2 GHz (mit einer Bandbreite von 1.8 GHz) und 24.5 GHz (mit einer Bandbreite von 4 GHz). Diese Antenne bildet die Grundlage für eine elektrisch rekonfigurierbare Antenne. Eine elektrisch rekonfigurierbare Antenne, basierend auf einem Galinstan-Aktuator wird darauf aufbauend vorgestellt. Die Betriebsfrequenz ist zentriert bei 24.2 GHz (mit einer Bandbreite von 1 GHz), und es wurden Breitbandeigenschaften (mit einer Bandbreite von 2 GHz) zentriert bei 24.7 GHz, entsprechend einer Steigerung der -10 dB Bandbreite der Antenne um den Faktor 2 (+100%), bestimmt. Die Aktuierung basiert auf der Beeinflussung der elektrischen Benetzungseigenschaften und der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Galinstan ist ein junges Material im Bezug auf die Nutzung in rekonfigurierbaren Mikrowellen-Anwendungen. Die Messungen der Oberflächenspannung von Galinstan als Funktion einer angelegten Gleichspannung wurde nach dem besten Wissen des Autors zum ersten Mal im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Die in dieser Arbeit vorgestellte Galinstan- basierte Aktuierung zeigt eine niedrige Aktuierungsspannung (1 V) und kommt ohne ständiges Aktuierungssignal aus, um den Ein- oder Auszustand zu erhalten. Die Bedeutung dieser Arbeit wird mittels eines Bewertungsfaktors (Figure of Merit, FoM) gezeigt. Verglichen werden die vorgestellte mikrofluid-basierte, rekonfiguierbare Antenne sowie Halbleiter-, MEMS- und Flüssigkristall-basierte Techniken. Die auf flüssigen Metallen basierende Technik zeigt im Vergleich einen signifikant höheren Bewertungsfaktor basierend auf Faktoren wie Aktuierungsspannung, Schaltrate, Leistungsverträglichkeit und linearer Skalierbarkeit. Die ungünstigen Auswirkungen auf das Abstrahlverhalten der Antenne durch zusätzliche dielektrische und leitfähige Materialien, die im reaktiven Feld der Antenne platziert werden, werden durch die Verwendung einer neuartigen 14 mm dünnen 3D-gedruckten dielektrischen Linse korrigiert. Die dielektrische Linse optimiert den Gewinn der Antenne, indem sie die quasi-sphärischen Wellen im Nahfeld der Antenne in eine ebene Welle im Nahfeld transformiert. Mit der dielektrischen Linse konnte eine Erhöhung des Antennengewinns um bis zu 6.9 dB gezeigt werden. Für die fest verdrahtete Antenne konnte ein Antennengewinn von 12 dBi bzw. 9 dBi für den kapazitiv unbelasteten und belasteten Zustand durch die dielektrische Linse erzielt werden. Für die Galinstan-basierte Antenne wurden für beide rekonfigurierbaren Zustände Antennengewinne von 5.2 dBi and 6.1 dBi erzielt. Die vorgestellten rekonfigurierbaren Antennen bieten einen angemessenen Gewinn, ein gutes Abstrahlverhalten und einen optimalen Einfügeverlust in allen Betriebszuständen. Herausforderungen, wie das Design mehrerer Ebenen, das Vorhandensein mehrerer Materialien in unmittelbarer Nähe sowie damit verbundene Verluste und Fertigungsprobleme wurden erfolgreich gelöst. Darüber hinaus wird ein sehr kostengünstiger Ansatz sowohl für die Materialauswahl als auch für die Fertigung präsentiert. Die Designs der Antenne sind experimentell bestätigt, eine gute Übereinstimmung der Messergebnisse mit Simulationsergebnissen konnte gezeigt werden. Die Betriebsfrequenzen der erstellten Antennen haben eine große Bedeutung bei Radaranwendungen im Automotive-Bereich. Die demonstrierten Techniken können jedoch entsprechend der gewünschten Frequenz wahlweise hoch- oder runterskaliert und somit in einem großen Bereich von Anwendungen eingesetzt werden. A novel microfluidics based reconfigurable antenna for microwave applications, and a cost-effective ultra-broadband (defined as the bandwidth of 20% or higher than the center frequency) gain enhancement methodology based on dielectric lens are presented. Firstly, a hard-wired design is conceived. The hard-wired reconfigurable antenna employs capacitive loading technique to increase the -10 dB bandwidth by a factor of 2.5 (+150%). The proposed antenna is designed at the operational frequency of 24.2 GHz (with a bandwidth of 1.8 GHz) and 24.5 GHz (with a bandwidth of 4 GHz). The hard-wired antenna provides the foundation for an electronically actuated reconfigurable antenna. An electronically reconfigurable antenna based on galinstan actuation is then demonstrated. The operational frequencies are centered at 24.2 GHz (with a bandwidth of 1 GHz) and a wideband (with a bandwidth of 2 GHz) centered at 24.7 GHz, causing an increase of -10 dB bandwidth of the antenna by a factor of 2 (+100%), are recorded. The actuation is based on influencing electro-wetting properties and converting electrical energy into mechanical energy. Galinstan is an infantile material for its use in reconfigurable microwave applications, and the surface tension measurements of galinstan as a function of applied DC voltages are carried out for the first time in this work to the best of the author's knowledge. The galinstan-based actuation presented in this work demonstrates low actuation voltage (1 V), and a continuous actuation signal to maintain either the ON or OFF state is not required. The significance of this work is methodically presented by using figure of merit (FoM) between the proposed microfluidics based reconfigurable scheme, the semiconductors, micro electro-mechanical systems, and liquid crystals based reconfigurable techniques. Liquid metal based technique shows a significantly higher FoM number based on factors such as actuation voltages, switching rate, power handling, and linear scalability. The unfavorable effects on the radiation pattern of the antenna due to the presence of additional dielectric and conductive materials in the reactive field of the antenna, are corrected by using a novel 14 mm thin 3D printed dielectric lens. The dielectric lens streamlines the gain of the antenna by transforming the quasi-spherical waves in the near field of the antenna into a plane-wave, along the direction of propagation. A gain enhancement of up to 6.9 dB is demonstrated using the dielectric lens. A gain of 12 dBi and 9 dBi, were obtained for hard-wired reconfigurable antenna for unloaded and loaded states, by means of the dielectric lens, respectively. The gain values of 5.2 dBi and 6.1 dBi, are recorded for the two reconfigurable states for galinstan based antenna. The presented reconfigurable antennas offer a decent gain, good radiation pattern, and an optimal return loss at all operational states. Challenges such as multiple layers design, presence of several materials in the proximity, associated losses, and fabrication issues are successfully resolved. In addition, a very cost-effective approach is presented for both, material, and the fabrication platforms. The designs are experimentally verified through measurements and a very good agreement between the measured and simulated results is reported. The design frequencies have great significance for automotive radar applications. The technique demonstrated in this work can be scaled up or scaled down to a certain frequency of interest, and subsequently for a wide range of applications. restricted access Anwar, Muhammad Sohail 2022-08-12 xix, 112 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik/Informatik Bangert, Axel (Prof. Dr.-Ing.) Witzigmann, Bernd (Prof. Dr.-Ing.) Mikrowelle Antenne K-Band publishedVersion 2024-08-12 2024-08-12 false true </resource>
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