Design of antennas based on metasurfaces at millimeters and terahertz waves

• Autores: Dayan Pérez Quintana
• Directores de la Tesis: Iñigo Ederra Urzainqui (dir. tes.), Miguel Beruete Díaz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 197
• Títulos paralelos:
  • Diseño de antenas basadas en metasuperficies en ondas milimétricas y de terahercios
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen
  • español

    Esta tesis presenta la evolución de una línea de investigación guiada por el desarrollo de estructuras metálicas para mejorar las propiedades de radiación de dispositivos que operan en ondas milimétricas (mmWaves). Cubre diferentes aspectos de las soluciones de alta frecuencia como la tecnología Gap Waveguide (GW) para guiar ondas con bajas pérdidas y alta eficiencia superando las limitaciones de las guías de onda clásicas. Usando GW como enlace común, se han desarrollado tres antenas diferentes para generar polarización circular (CP) de una manera simple y compacta utilizando una técnica de alimentación basada en la diferencia de longitud de los brazos ortogonales que excitan una ranura en la placa superior. Cada una de estas antenas sigue una evolución natural desde el diseño inicial que presenta los fundamentos básicos de funcionamiento hacia topologías más complicadas con el objetivo de aumentar la directividad. Las metasuperficies (MTS) son otro tema candente en la investigación electromagnética debido a las posibilidades que ofrecen para el control de la radiación de ondas electromagnéticas. En particular, los MTS en ondas milimétricas son elementos clave en el contexto de los sistemas de comunicación modernos (5G, 6G), ya que abren nuevas formas de dirigir los haces en direcciones arbitrarias y, en general, mejoran las características de radiación de los dispositivos inalámbricos. En la tesis, las MTS se han combinado con la tecnología GW para ampliar la funcionalidad de los dispositivos compactos en un diseño totalmente metálico. Se ha diseñado y demostrado experimentalmente una antena de lente Luneburg plana (LL) basada en un lecho de clavos alimentado por una antena de bocina GW. El índice de refracción necesario para modular la ecuación de Luneburg se ha implementado utilizando pequeños pines con diferentes alturas. Este diseño presenta un ancho de banda significativo y buenos valores de directividad en una implementación compacta. También relacionado con las lentes, pero utilizando un concepto diferente, se ha propuesto un reflector doble capa compacto basado en una lente geodésica a 60 GHz. Una lente geodésica se basa en una guía de ondas de placas paralelas que logra las propiedades de enfoque introduciendo una forma curva y, por lo tanto, variando la trayectoria óptica efectiva. El sistema se ha implementado en una guía de ondas de placas paralelas de doble capa. En el diseño propuesto la onda proveniente de la lente geodésica en una primera capa es reflejada por un espejo parabólico que conecta los bordes de las dos capas que dirige la onda hacia la segunda capa donde es radiada. Para hacer que el sistema sea más compacto, la lente está diseñada con un foco virtual para que la fuente real pueda colocarse más cerca de la lente. Un desafío tecnológico abierto es lograr antenas de alta ganancia en el extremo superior de la banda de ondas milimétricas, cerca del rango de los terahercios (300 GHz), donde se dispone de un amplio ancho de banda gracias a la mayor frecuencia de operación. En la tesis se ha dado un paso inicial para cubrir este vacío proponiendo un sistema de antena-lentes basado en una lente hiperbólica plana de metamaterial iluminada por una antena de bocina en plano H diseñada a 300 GHz utilizando tecnología GW. Ambos dispositivos, la metalente y la antena GW logran excelentes resultados de radiación cuando se combinan. Además, se analiza en detalle el proceso de fabricación y se presenta una propuesta realista basada en silicio metalizado micromecanizado. Finalmente, las metasuperficies reconfigurables y activas son un tema disruptivo con múltiples aplicaciones en sistemas inalámbricos inteligentes. Aquí, se ha demostrado numérica y experimentalmente un reflectarray (RA) dinámicamente reconfigurable que utiliza cristal líquido (LC) y que opera por encima de 100 GHz. Este es un resultado relevante y desafiante debido a la marcada diferencia entre la longitud de onda de operación (del orden de milímetros) y el grosor típico de un sustrato LC (algunos micrómetros). El buen desempeño del prototipo allana el camino hacia diseños más ambiciosos alineados con los requerimientos de los modernos sistemas de comunicación en ondas milimétricas.

  • English

    This thesis presents the evolution of an investigation line guided by the development of metallic structures to improve the radiation properties of devices operating at millimeter wave (mmWaves). It covers different aspects of high frequency solutions such as Gap Waveguide (GW) technology to guide waves with low loss and high efficiency overcoming the limitations of classical waveguides. Using GW as a common link, three different antennas have been developed to generate circular polarization (CP) in a simple and compact way using a feeding technique based on the length difference of orthogonal arms exciting a slot on the top plate. Each of these antennas follows a natural evolution from the initial design that presents the basic operation fundamentals towards more complicated topologies aiming to increase the directivity. Metasurfaces (MTS) are another hot topic in electromagnetics research due to the possibilities they offer for the control of the electromagnetic wave radiation. In particular, MTS at mmWaves are key elements in the context of modern communication systems (5G, 6G) as they open new ways to steer the beams in arbitrary directions as well as improve in general the radiation characteristics of wireless devices. In the thesis MTS have been combined with GW to extend the functionality of compact devices in a fully metallic design. A flat Luneburg lens (LL) antenna based on a bed of nails fed by a GW horn antenna has been designed and experimentally demonstrated. The refractive index needed to modulate the Luneburg equation has been implemented using small pins with different heights. This design presents a significant bandwidth and good directivity values in a compact implementation. Also related with lenses but using a different concept, a compact pillbox reflector based on a geodesic lens has been proposed at 60 GHz. A geodesic lens is based on a parallel plate waveguide which achieves the focusing properties by introducing a curved shape and hence varying effective optical path. The system has been implemented in a dual-layer parallel plate waveguide. In the proposed design the wave stemming from the geodesic lens in a first layer is reflected by a parabolic mirror connecting the rims of the two layers that directs the wave towards the second layer where it is radiated. To make the system more compact, the lens is designed with a virtual focus so that the actual source can be placed closer to the lens. An open technological challenge is to achieve high gain antennas at the higher end of the mmWaves band, close to the terahertz range (300 GHz), where a wide bandwidth is available thanks to the increased operation frequency. An initial step to cover this gap has been done in the thesis by proposing an antenna lens system based on a metamaterial flat hyperbolic lens illuminated by an H-plane horn antenna designed at 300 GHz using groove GW technology. Both devices, the metalens, and the GW antenna achieve excellent radiation results when combined. Furthermore, the manufacturing process is analysed in detail and a realistic proposal based on metallized micromachined silicon is presented. Finally, reconfigurable and active metasurfaces are a disruptive topic with multiple applications in smart wireless systems. Here, a dynamically reconfigurable reflectarray (RA) using liquid crystal (LC) operating above 100 GHz has been numerically and experimentally demonstrated. This is a relevant and challenging result due to the stark difference between the operation wavelength (of the order of millimeters) and the typical thickness of a LC substrate (some micrometers). The good performance of the prototype paves the way towards more ambitious designs aligned with the requirements of modern communication systems at mmWaves.