Technological developments for millimeter-wave radars= Desarrollos tecnológicos para radares en bandas de milimétricas

Los desarrollos tecnológicos en la banda de milimétricas han progresado recientemente de forma significativa gracias a la creciente disponibilidad de fuentes de generación de señal y detectores a estas frecuencias, que ofrecen elevados anchos de banda de trabajo, por lo que resultan de interés en aplicaciones tales como espectroscopia, seguridad o radio astronomía. Además, el desarrollo de tecnología en estas bandas se espera que desempeñe un papel importante en la creación de nuevos campos industriales que satisfagan determinadas necesidades de la sociedad. La banda de milimétricas comprende la región del espectro electromagnético entre 30 GHz y 300 GHz, que corresponde a una longitud de onda entre 1 y 10 mm. Esta región constituye la frontera entre la electrónica y la fotónica, que requiere el desarrollo de nueva circuitería que sea capaz de manejar mayores niveles de potencia y anchos de banda que cubran el vacío tecnológico existente. Mientras que el desarrollo de tecnología es un tema de interés por sí mismo, el desarrollo de tecnología es más efectivo en un contexto donde tenga importancia para una aplicación determinada. Las aplicaciones de seguridad, biomedicina y observación de la tierra y del espacio imponen unos requisitos que demandan soluciones innovadoras donde la tecnología radar en banda de milimétricas aporta considerables beneficios. Por tanto, la presente tesis doctoral tiene como objetivo principal el desarrollo de tecnología para radares en banda de milimétricas, concretamente para dos radares a 94 GHz y 300 GHz, para aplicaciones de meteorología y seguridad, respectivamente. Ambas aplicaciones implican requisitos completamente distintos con respecto al subsistema de antenas, los tiempos de adquisición, la potencia transmitida y la generación de señal en banda estrecha y banda ancha. La primera parte de la tesis se centra en el desarrollo de tecnología para un radar a 300 GHz diseñado en el Grupo de Microondas y Radar de la Universidad Politécnica de Madrid en colaboración con la Universidad de Vigo. Los sensores radar activos en la banda de milimétricas son una tecnología competitiva para la detección a distancia de objetos ocultos bajo la ropa sin que la persona que está siendo escaneada sea consciente de ello, a diferencia de los sistemas tipo portal, lo que aumenta la vulnerabilidad de dichos sistemas. Además, al contrario que la tecnología de rayos X, la radiación es no ionizante, por lo que no existe riesgo alguno para la salud. El trabajo realizado en esta primera parte consiste en el desarrollo de tres modificaciones hardware que permiten mejorar el rendimiento del radar, con distintas alternativas en la generación de la señal radar, el uso de la información contenida en la fase y la evaluación de técnicas de polarimetría. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño, implementación y caracterización de un radar perfilador de nubes a 94 GHz. La dinámica de las nubes sigue siendo una fuente importante de incertidumbre respecto al equilibrio energético de la tierra y al calentamiento global, ya que estas contribuyen al ciclo hidrológico y la redistribución del calor y la humedad. Este tipo de sistemas tienen gran interés en meteorología, sobre todo en el análisis de nubes sin precipitación, tanto desde un punto de vista comercial como de investigación. ABSTRACT The technological developments in the millimeter-wave band have seen a rapid progress recently, owing to the increasing availability of signal-generation sources and detectors at this band, which offer high bandwidths that are of interest for applications such as spectroscopy, security and radioastronomy. Furthermore, the development of technology at this band is expected to play an important role in the creation of new industrial fields that meet society needs. The millimeter-wave band covers the electromagnetic spectrum from 30 GHz to 300 GHz, which corresponds to the wavelength region from 10 mm to 1 mm. This region is a part of a frontier area between electronics and photonics which demands the development of new circuitry that will be able to handle larger power levels and bandwidths in order to cover this technological gap. While the development of technology is an interesting topic itself, the development of technology is more effective when it is considered within the context of a certain application. The requirements of security, biomedical and earth-and-space remote sensing applications demand innovative solutions for which millimeter-wave band radar technology can yield considerable benefits compared to other technologies. To this end, the main goal of this Ph.D. thesis is the development of technology for millimeter-wave radars, particularly for two radars at 94 and 300 GHz for weather monitoring and security applications, respectively. Both applications imply completely different system requirements in terms of antenna subsystem, acquisition times, transmitted power and narrowband/broadband signal generation. The first part of this Ph.D. thesis is focused on the development of technology for a 300-GHz imaging radar designed at the Microwaves and Radar group of the Universidad Politécnica de Madrid in collaboration with the Universidad de Vigo. Active radar sensors at millimeter-wave band are a competing technology for the detection of concealed objects under clothes without the targets being aware of their scanning in risk public areas in contrast to portal systems which increase the system vulnerability. Furthermore, as opposed to X-ray technology, the radiation at millimeter-wave band is non-ionizing and therefore, raise safety concerns. The work carried out in this first part consists of three hardware modifications that improve the radar performance with different alternatives of radar-signal generation, the use of the phase information and the evaluation of polarimetry techniques. The second part presents the design, implementation and characterization of a cloud profiling radar at 94 GHz. Clouds dynamics remain a major source of uncertainty regarding the earth energy balance and global warming, since they contribute to the hydrological cycle and heat and moisture redistribution. This kind of system has a strong interest in meteorology, particularly in the non-precipitating cloud analysis from a commercial and research perspective