Study of photonic crystal structures and their applications in the field of antennas

Abstract

El propósito principal perseguido en esta tesis ha sido el diseño de estructuras “Photonic Crystal” y sus aplicaciones como substratos para antenas. Estos “Photonic Crystal” se definen como estructuras periódicas en una, dos o tres dimensiones las cuales no permiten la propagación de una onda electromagnética en su interior para cualquier dirección de propagación de la onda incidente en un determinado rango de frecuencias (“bandgap”). Uno de los principales problemas que presentan hoy en día las antenas es la potencia que se transfiere a los modos de substratos. Esta energía no contribuye a la radiación principal de la antena, considerándose un mecanismo de pérdidas. Además, esta energía, dependiendo de la constante dieléctrica del substrato y de su grosor puede suponer más del 70% de la potencia total. Incluso algunas veces esta energía contribuye de forma negativa a la radiación principal, deteriorando en gran medida el diagrama de radiación de la antena. La idea fundamental es utilizar estructuras “Photonic Crystal” como substratos de antenas. Al no permitir la propagación de la onda electromagnética en su interior, no se excitarán modos de substrato y toda la potencia será radiada por la antena. Esto se traducirá en un incremento de la eficiencia y de la directividad de la antena, en la obtención de diagramas de radiación más simétricos y en la reducción de la radiación trasera.

The aim of this thesis has been the design of “Photonic Crystal” structures and their application as substrates in dielectric antennas. “Photonic Crystals” defined as periodic structures in one, two or three dimensions, prevent the propagation of an incident electromagnetic wave inside them, over a determined frequency range (bandgap) and for any propagation direction. Nowadays, one of the main problems in the antenna field is the power transferred to the surface wave modes. This energy does not contribute to the main radiation of the antenna, considering this effect as a loss mechanism. Besides, this energy, depending on the dielectric constant of the substrate and its thickness, could be more than 70% of the total power. Even sometimes, this energy will be added in counter-phase to the main radiation pattern of the antenna making worse this pattern. The main idea is to use the “Photonic Crystal” structures as substrates for these antenna configurations. If this “Photonic Crystal” does not allow the propagation of any electromagnetic wave, the surface wave mode will not be excited and the antenna will radiate all the power. This will lead to an increase of the antenna efficiency and of the antenna directivity, a more symmetric radiation pattern and a reduction of the back radiation of the antenna.