Search

This PhD Thesis entitled, “Phased Array antenna with Dielectric Phase Shifters” presents a candidate for a planar, elegant and simple alternative to replace the parabolic antenna on the roof of your house and that of your neighbours. A parabolic antenna is bulky, has an average weight of 25 kg, and it is usually attached with an arm fixture of an average depth of 30 cm. Unlike the parabolic antenna which represents a large unsightly looking necessity on your roof, or balcony of your house, the planar antenna presented here is elegant and discrete. It is cheaply made with simple lightweight dielectric sheets and is mounted directly as a planar surface on the wall of your house oriented towards the satellite Astra 1M and requires no extra mount fixture. The planar antenna is less subjected to environmental conditions such as wind or hail and must not be constantly readjusted to optimize TV reception. The proposed antenna is made of 32 by 32 elements of a length and a spacing of half wavelength λ/2 with dielectric phase shifters to orient the main lobe with a 3° beamwidth by 45° in azimuth and from 23° to 43° in elevation. The dielectric phase shifters use a high dielectric constant of εr 10.2 on top of an antenna array with a substrate of εr 2.2. The difference between the high and the low dielectric value on a coplanar waveguide (CPW) feedline requires a maximum length of 18.7 cm for the 32nd antenna element in order to move the main lobe by a maximum of 45°. The CPW feedline is ideal to minimize mutual coupling among antenna elements. The antenna gain is 32 dBi and the beamwidth is 3°. It occupies a total size of 72.25 cm x 40.96 cm x 6.22 cm. The antenna presented here is targeted for the reception of satellite television in Europe broadcasting from 10.7 to 12.7 GHz. As it consists of frequency independent antenna elements, it can be resized for any desired frequency range in any part of the world. In short, it is a cheap, light, adaptable and discrete design and especially convenient in regions where unsightly parabolic antennas are prohibited.

In satellite broadcasting and broadband communications, two orthogonal polarizations can be employed for signalling. Typically, two independent carrier signals are transmitted on the horizontal and vertical linear polarizations. In this way the available frequency spectrum is used twice. Contrary to this independent use, the present work investigates the combined use of both polarizations for signalling and the possibly associated benefits. Two different modulation techniques are investigated. The first, polarization shift keying, modulates the state of polarization of the electromagnetic wave to convey information. It is based on the phase and amplitude relationship between both carriers and is advantageous for channels strongly impaired by phase noise. The second technique defines a four-dimensional signal space for the combined modulation of amplitude and phase on both carriers. It was initially introduced as 4-quadrature signalling and permits transmission with improved power efficiency. Both techniques come from optical fibre communications, where similar propagation conditions exist. The conducted investigation is based on an analysis, simulations and the experimental verification using a specially developed demonstration transmitter and receiver. The simulations compare the power efficiency of the proposed modulation techniques with that of alternatives currently in use and analyse their behaviour upon disturbance by phase noise or non-linear distortion. The demonstrator is used to validate the findings in experimental measurements and to confirm the feasibility of both proposed techniques through a live satellite transmission. En télédiffusion et dans les télécommunications à haut débit par satellite, deux polarisations orthogonales peuvent être employées pour la transmission. Habituellement, deux porteuses indépendantes sont transmises sur les polarisations linéaires horizontale et verticale. Cela rend possible une double exploitation des gammes de fréquences disponibles. Contrairement à une telle utilisation indépendante, le présent travail étudie l’utilisation combinée de ces deux polarisations pour les télécommunications ainsi que les éventuels avantages associés. Deux techniques de modulations sont soumises à l’examen : la première est la modulation de polarisation. Elle se sert de l’état de polarisation de l’onde électromagnétique pour transporter de l’information. Elle se base ainsi sur les relations de phase et d’amplitude entre les deux porteuses et se montre particulièrement avantageuse pour les canaux fortement dégradés par du bruit de phase. La seconde technique définit un espace quadridimensionnel dans lequel la modulation d’amplitude et de phase des deux porteuses est effectuée de façon conjointe. Nommée modulation 4-quadratures, elle permet une transmission avec une efficacité énergétique élevée. Ces deux techniques ont pour origine le domaine des télécommunications par fibre optique, pour lequel les conditions de propagation sont similaires. L’étude s’appuie sur une analyse préalable, des simulations et leur vérification expérimentale à l’aide de dispositifs de transmission et de réception développés spécialement à cet effet. Les simulations comparent l’efficacité énergétique des techniques proposées à celle d’alternatives utilisées actuellement et analysent leur comportement lors de perturbations par du bruit de phase et de la distorsion non-linéaire. Les résultats obtenus sont validés au moyen de mesures expérimentales avec les modèles d’exposition. Finalement, la faisabilité de ces deux techniques est démontrée lors d’une transmission en direct par satellite. Im Satellitenrundfunk und in der satellitengestützten Breitbandkommunikation können zwei orthogonal zueinanderstehende Polarisationen zur Übertragung genutzt werden. Im Allgemeinen werden dazu zwei unabhängige Trägersignale auf der linear waagerechten und senkrechten Polarisation gesendet. Die verfügbaren Frequenzbereiche werden somit doppelt genutzt. Im Gegensatz zu einer solchen unabhängigen Nutzung untersucht die vorliegende Arbeit die gemeinsame Nutzung beider Polarisationen zur Nachrichtenübertragung sowie der damit einhergehenden, möglichen Vorteile. Es werden zwei unterschiedliche Modulationsverfahren erforscht. Ersteres, die Polarisationsumtastung, verwendet den Polarisationszustand der elektromagnetischen Welle als eigentlichen Informationsträger. Sie beruht somit auf dem Phasen- und Amplitudenverhältnis beider Träger und ist besonders vorteilhaft in stark von Phasenrauschen gestörten Kanälen. Das zweite Verfahren definiert einen vierdimensionalen Signalraum in welchem die Phase und Amplitude beider Träger im Verbund moduliert werden. Die ursprünglich als 4-Quadratur Signalgebung eingeführte Technik erlaubt eine höhere Leistungseffizienz bei der Übertragung. Beide Verfahren kommen aus der optischen Übertragungstechnik, wo vergleichbare Ausbreitungsbedingungen vorherrschen. Die Untersuchung beruht auf einer vorhergehenden Analyse, Simulationen und der experimentellen Überprüfung mithilfe einer eigens zu diesem Zweck entwickelten Sende- und Empfangsvorrichtung. Die Simulationen vergleichen die Leistungseffizienz der vorgeschlagenen Verfahren mit der gegenwärtig genutzter Alternativen und analysieren das Verhalten im Fall von Beeinträchtigungen durch Phasenrauschen und nichtlineare Verzerrung. Die Simulationsresultate werden durch experimentelle Messungen am Vorführmodell bestätigt. Zusätzlich wird für beide Verfahren mittels einer Satelliten-Direktübertragung die Machbarkeit demonstriert. Для вещания и широкополосной передачи через спутники могут быть использованы две ортогональные поляризации. В общей практике передача двух независимых несущих сигналов осуществляется по горизонтальной и вертикальной линейным поляризациям. Таким образом, становится возможным двойное использование доступных диапазонов частот. В противоположность такому независимому применению, настоящее исследование посвящено изучению совместного применения обоих поляризаций в электросвязи, а так же его возможных преимуществ. Две техники модуляции вынесены на рассмотрение: первой является модуляция поляризации. В качестве носителя информации она использует состояние поляризации электромагнитной волны. Базируясь на отношении фаз и амплитуд двух несущих, она показывает себя особенно выгодной при наличии в канале фазового шума. Вторая техника определяет четырёхмерное пространство, в котором модуляция амплитуды и фазы двух несущих совершается комбинировано. Введённая под названием 4-квадратурной модуляции, она делает возможной передачу с повышенной энергетической эффективностью. Две описанные выше техники принадлежат области волоконно-оптической связи, условия распространения в которой являются сопоставимыми. Исследование основывается на предварительном анализе, симуляциях и их экспериментальной апробации при помощи специально разработанных приборов передачи и приёма. Симуляции служат для сравнения энергетической эффективности предложенных техник с используемыми в настоящее время альтернативами и анализируют их поведение во время нарушений фазовым шумом и нелинейным искажением. Результаты подтверждаются путём использования образцов в ходе экспериментальных измерений. Кроме этого, реализуемость двух предложенных техник продемонстрирована посредством прямой трансляции через спутник.