Open Access
Design of antennas based on metasurfaces at millimeters and terahertz waves
(2022) Pérez Quintana, Dayan; Ederra Urzainqui, Íñigo; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
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.
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A gap waveguide fed circular polarization antennas in the millimeter wave range
(IEEE, 2020) Pérez Quintana, Dayan; Torres García, Alicia E.; Ederra Urzainqui, Íñigo; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
In this work, a novel circular polarization (CP) antennas in ridge gap waveguide (RGW) working in the V-band of the millimeter-wave spectrum is presented. CP is generated in a simple and effective way by means of two orthogonal feeder arms that excite a CP in a rotated square-shaped slot placed on top metallic lid. Parametric simulation studies demonstrate that a difference between both arms length of approximately λ/4 leads to high-purity CP within a relatively broad bandwidth. A square-shaped slot antenna is manufactured and experimentally analyzed. A broadband matching with a reflection coefficient magnitude below -10 dB (S11 <; -10 dB) is achieved from 60.5 to 69.3 GHz. Applying the axial ratio criterion (AR <; 3 dB) the bandwidth in CP is 10.74%, with respect to the central frequency. The maximum gain at broadside is 5.49 dB at 66.8 GHz.

Pérez Quintana, Dayan

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