Design and characterization of new tunable devices based on liquid crystal technology for microwave applications

Mención Internacional en el título de doctorThe PhD. Thesis work presented in this document has been made in the research group Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas (GDAF) of Departamento de Tecnología Electrónica from Universidad Carlos III de Madrid. One of the most traditional GDAF research interest is the study of new devices based on liquid crystals (LC). In this specific research subject, this Thesis work has been focused, including several studies about tunable devices at microwave frequencies based on LC technology. The previous experience of the Group in this field includes the devising of some preliminary approaches related to LC tunable devices, specifically phase retarders. However, no previous systematic study similar to this was made in the scope of this research Group. The main aim of this Thesis work is, indeed, to contribute to the development of new tunable devices at microwave frequencies based on new and advanced LC mixtures with electrical properties that match the requirements at GHz bands. In particular, this work has focused on the design of passive tunable filters, due to the rich functionality of these devices in telecommunication systems at microwave frequencies. The document is structured in several parts. It begins with a revision of the different available technologies used in tunable devices at GHz frequencies. Then, the main theoretical fundamentals and concepts of passive filters, notch filters and band-pass filters, are treated. In the third chapter the general processes that are involved in the manufacturing of the devices are presented. A depth study of LC-based notch filters, using a microstrip spurline structure, is detailed in chapter 4. The different steps with the restrictions that concern the design and the characterization of the manufactured devices are presented. The optimization of the devices configurations and the prediction of the filters frequency response have been made by using commercial electromagnetic software tools. Additionally, the dielectric properties at microwave frequencies of the LC mixtures used in the different devices have been estimated. Chapter 5 is devoted to tunable LC-based band-pass filters based on microstrip dual-mode technology. In the same way, the optimization of the different filter configurations, as well as the design, simulation and measurement of the frequency response of the filters are described in this chapter. Finally, in the last chapter, the main conclusions of this Thesis work and the future research lines are presented.El Trabajo de Tesis Doctoral presentado en esta memoria se ha realizado dentro del Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas del Departamento de Tecnología Electrónica de la Universidad Carlos III de Madrid. Entre las principales líneas de investigación del GDAF se encuentra el estudio de nuevos dispositivos cuya implementación práctica se basa en el empleo de cristales líquidos (CL). Dentro de esta línea de investigación se han realizado previamente algunos estudios acerca del empleo de CL para el diseño de dispositivos sintonizables a frecuencias de microondas. Así, previamente a la realización de este trabajo, se diseñó y caracterizó experimentalmente un desfasador sintonizable basado en las propiedades de estos materiales. Sin embargo, no se había realizado dentro del grupo un estudio sistemático acerca de dispositivos sintonizables a estas frecuencias similar al presentado en este trabajo de Tesis. El objetivo de este Trabajo de Tesis Doctoral es contribuir al desarrollo de dispositivos sintonizables a frecuencias de GHz basados en CL. Principalmente, el presente trabajo se ha centrado en el diseño de filtros, dada la importancia que estos dispositivos tienen en sistemas de comunicaciones de la citada banda de frecuencias. El documento se estructura en varias partes. Comienza con una revisión del estado del arte de los dispositivos sintonizables a frecuencias de microondas, realizando un barrido de las diferentes tecnologías que se vienen utilizando hasta la fecha de hoy, para posteriormente presentar los principales conceptos teóricos y la fabricación de dispositivos. En particular, los filtros pasivos, concretamente filtros notch y paso banda, son el ámbito central de discusión y el núcleo del presente trabajo. En el cuarto capítulo se presenta un estudio exhaustivo sobre filtros notch con estructura microstrip spurline basados en CL, abordando las distintas fases desde el estudio de las distintas configuraciones y variantes de la tecnología empleada, hasta la implementación de los dispositivos finales. Concretamente, se han diseñado, simulado y caracterizado experimentalmente la respuesta espectral de dos filtros notch basados en CL. La elección de la configuración óptima de cada dispositivo, así como la predicción de la respuesta en frecuencia del mismo, se ha llevado a cabo utilizando herramientas de simulación software comerciales. Por otro lado, la caracterización de las propiedades de los CL a las frecuencias de interés, es otra de las principales aportaciones de este trabajo. De la misma manera, el quinto capítulo está dedicado al diseño de filtros sintonizables paso-banda con tecnología microstrip dual-mode basados en CL. La optimización de las distintas configuraciones para filtros dual-mode, así como el diseño, implementación, simulación y caracterización experimental de la respuesta espectral de los distintos dispositivos fabricados, son los principales puntos a tratar en dicho capítulo. Adicionalmente se incluyen, en la parte final de la memoria, las principales conclusiones del presente trabajo, así como las líneas de investigación para el futuro inmediato.Apoyo financiero del Ministerio de Economía y Competitividad (proyectos TEC2009-13991-C02-01, TEC2014/00354/001) y de la Comunidad de Madrid (proyecto FACTOTEM2 S2009/ESP/1781).Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: José Manuel Otón Sánchez.- Secretario: Ricardo Vergaz Benito.- Vocal: Antigone Marin