Metamaterials and extraordinary transmission structures applied to microwave, millimeter and terahertz waves devices

Abstract

Los metamateriales aparecen en los primeros años del siglo XXI como materiales artificiales que presentan un comportamiento electromagnético de alguna manera exótico. Al mismo tiempo, se descubre un nuevo fenómeno denominado transmisión extraordinaria. Ambas disciplinas conllevaron a una revisión profunda del electromagnetismo básico aunando dos comunidades científicas que últimamente permanecían desligadas, las microondas y la óptica. Además, tanto los metamateriales como la transmisión extraordinaria fueron explotados para desarrollar nuevos dispositivos para un amplio abanico de aplicaciones tales como seguridad, comunicaciones o espectroscopía. En esta Tesis se investiga el uso de dispositivos inspirados en estructuras metamaterial y el fenómeno de transmisión extraordinaria operando a frecuencias de microondas, ondas milimétricas y terahercios. El contenido de la Tesis se puede dividir en tres partes diferenciadas que se relacionan con cada uno de los rangos frecuenciales estudiados, es decir, microondas, ondas milimétricas y terahercios. La primera parte de la Tesis está dedicada a investigar cómo los metamateriales pueden mejorar las prestaciones de un sistema de antenas para aplicaciones radar en el rango de las microondas. La segunda parte trata de forma teórica y experimental diferentes estructuras periódicas bidimensionales que trabajan en el rango de las ondas milimétricas con el fin de estudiar los límites entre el fenómeno de transmisión extraordinaria y regímenes ordinarios, diseñar dispositivos unidireccionales y sintonizables y metasuperficies con una respuesta angular no convencional. Finalmente, la tercera parte de la Tesis, hace extensible el uso de estructuras periódicas bidimensionales para aplicaciones de sensado a frecuencias de terahercio.

Metamaterials emerged in the early 2000’s as manmade materials that exhibit exotic electromagnetic properties. At the same time, a new phenomenon termed as the extraordinary transmission was discovered. These two topics entailed a profound review of the electromagnetism theory bringing together the microwave and optical communities. In addition, metamaterials and extraordinary transmission were exploited to develop new and advanced devices for a broad range of applications such as security, communications, spectroscopy, to name a few. In this Thesis the use of metamaterials and extraordinary transmission inspired devices working at frequencies ranging from microwaves and millimeter waves to terahertz waves is investigated. The content of the Thesis can be divided in three different yet related topics dealing with each frequency regime, namely microwaves, millimeter and terahertz waves. The first part is devoted to investigation of metamaterials use for enhancing the performance of an antenna system intended for radar applications in the microwave regime. The second part deals with theoretical and experimental implementations of two-dimensional periodic structures working at millimeter waves to study the limits between extraordinary transmission and ordinary transmission regimes, design of unidirectional and tunable devices and metasurfaces with non-conventional angular response. Finally the third part of the Thesis, extends the use of two-dimensional periodic structures to sensing applications within the terahertz regime.