New materials and technologies applied to the design of antennas and microwave circuits in 5G systems

Alex Amor, Antonio (2021). New materials and technologies applied to the design of antennas and microwave circuits in 5G systems. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.66989.

Description

Title: New materials and technologies applied to the design of antennas and microwave circuits in 5G systems
Author/s:
  • Alex Amor, Antonio
Contributor/s:
  • Fernández González, José Manuel
  • Padilla de la Torre, Pablo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

This Doctoral Thesis is devoted to the study of new materials, technologies and techniques applied to the efficient design of antennas and microwave devices of future 5G wireless communication networks. First, we study the application of novel 2-D artificial materials, typically known as metasurfaces, for the manipulation and control of electromagnetic waves. We investigate the benefits of glide symmetry, a particular subset of higher symmetries that consists of a mirroring and translation operation, applied to the design of periodic holey metasurfaces. Glide symmetry is shown to increase the refractive index and reduce the frequency dispersion of a certain structure compared to its conventional counterpart. This is suitable for the design of low-loss, wideband antennas and guiding devices. Furthermore, we investigate the production of wideband anisotropy with elliptical holes arranged in a glide-symmetric configuration. This is desirable for some specific applications such as wave front transformation, cloaking and lens compression. As an example, we show that a wideband Maxwell fisheye lens can be compressed with the use of glide-symmetric elliptical holes and proper transformation optics techniques. Secondly, we investigate the implementation of multilayered frequency selective surfaces (FSS) formed by subwavelength apertures. A FSS is any repetitive surface formed by subwavelength units engineered to conveniently scatter the incident electromagnetic waves. Traditional FSSs use a single metal layer embedded in a layered dielectric medium. However, new possibilities can be opened by stacking and misaligning several layers, such as the creation of negative-index structures, the existence of reflection and transmission bands and the increase of the operating bandwidth. A rigorous formulation based on the equivalent circuit analysis is derived for the efficient computation of 1-D and 2-D multilayered FSS with arbitrary apertures. This general-purpose formulation is more than 50 times faster than commercial simulators and works accurately under oblique incidence conditions. This is of potential interest for the efficient design of high-frequency wideband polarizers, filters, phase shifting elements, lightweight stirrers, and thin matching layers applied to 5G communication systems. Furthermore, controlling the radiation properties of antennas and microwave devices is one of the main technological challenges of future-generation 5G wireless networks. Tunable materials such as liquid crystal, graphene and ferroelectrics arise as an interesting option to provide electronic reconfigurability. In particular, liquid crystal is of the most promising tunable materials for low-loss operation in the microwave and millimeter-wave range, as specific commercial models are being developed. However, the analysis of liquidcrystal- based configurations is typically a complex task due to the anisotropic and lossy nature of the material. A series of methods are investigated to facilitate the analysis and design of reconfigurable RF devices based on the use of liquid crystal. These methods overcome the weaknesses of commercial eigenmode solvers when dealing with periodic structures embedded in anisotropic media, opening new possibilities. Finally, we show the potential interest of inkjet-printing techniques for the production of efficient, low-cost, RF antennas applied to wireless communication systems. Concretely, we brought the advantages of inkjet printing, such as the flexibility and lightweight of substrates, to the design of RF energy harvesters. Energy harvesting, defined as the process of collecting energy from ambient energy sources, is another technological challenge to increase the spectral efficiency of future 5G communication networks. This comes associated with the exponential increase over the past years in the number of RF transmitting sources, which have allowed RF energy harvesting to become a reliable power source for low-consumption electronic devices. As a proof of concept, we present the design, manufacturing and measurement of different inkjet-printed ultrawideband antennas and a complete RF energy harvesting system. ----------RESUMEN---------- La presente Tesis Doctoral está dedicada al estudio de nuevos materiales, tecnologías y técnicas aplicados al diseño eficiente de antenas y circuitos de microondas para las futuras redes de comunicación 5G. En primer lugar, estudiamos la aplicación de materiales artificiales bidimensionales, típicamente conocidos como metasuperficies, para la manipulación y control de las ondas electromagnéticas. Investigamos los beneficios de la simetría glide, un subconjunto particular de simetrías de orden superior que consiste en una operación de reflexión y traslación, aplicada al diseño de metasuperficies periódicas cargadas con agujeros. Se ha demostrado que la simetría glide puede aumentar el índice de refracción y reducir la dispersión en frecuencia en comparación con estructuras convencionales. Esto es especialmente útil para el diseño de antenas de banda ancha y dispositivos de guía de ondas de bajas pérdidas. Además, investigamos la producción de anisotropía de banda ancha con agujeros elípticos dispuestos en configuración glide, lo cual es de gran utilidad para ciertas aplicaciones como la transformación del frente de onda, cloaking y la compresión de lentes. Como ejemplo, mostramos que una lente de ojo de pez de banda ancha puede ser comprimida con el uso de agujeros elípticos en configuración glide y técnicas de transformación óptica. En segundo lugar, investigamos la implementación de las superficies selectivas en frecuencia (FSS) multicapa formadas por aperturas eléctricamente pequeñas. Una FSS es cualquier superficie repetida en el espacio diseñada para dispersar convenientemente las ondas electromagnéticas incidentes. Las FSS tradicionales utilizan una única capa metálica incrustada en un medio dieléctrico. Sin embargo, nuevas posibilidades surgen al apilar y desalinear varias capas, como la creación de estructuras de índice negativo, la existencia de bandas de reflexión y transmisión y el aumento del ancho de banda. En este trabajo, se presenta una rigurosa formulación basada en el uso de modelos circuitales equivalentes para el cómputo eficiente de estructuras FSS multicapa con aperturas arbitrarias. Esta formulación, de uso general, es más de 50 veces más rápida que los simuladores comerciales y permite trabajar en condiciones de incidencia oblicua. Esto es de potencial interés para el diseño de polarizadores de banda ancha, filtros, desfasadores, stirrers de bajo peso y tramos delgados de adaptación aplicados a sistemas de comunicación 5G. Adicionalmente, manipular las propiedades de radiación de antenas y dispositivos de microondas es uno de los principales desafíos tecnológicos de las redes inalámbricas de 5G de la futura generación. Los nuevos materiales sintonizables como el cristal líquido, el grafeno y los ferroeléctricos surgen como una opción interesante para proporcionar reconfigurabilidad electrónica a un determinado dispositivo. En particular, el cristal líquido es uno de los materiales sintonizables más prometedores para el funcionamiento con bajas pérdidas en el rango de las microondas y las ondas milimétricas. Sin embargo, el análisis de las configuraciones basadas en el cristal líquido suele ser una tarea compleja, debido a la naturaleza anisotrópica y a las pérdidas del material. Por ello, se investigan una serie de métodos para facilitar el análisis y el diseño de dispositivos de radiofrecuencia reconfigurables basados en el uso de cristal líquido. Estos métodos solventan las debilidades de los simuladores comerciales a la hora de tratar con estructuras periódicas incrustadas en medios anisotrópicos, abriendo nuevas posibilidades de diseño. Por último, mostramos la aplicabilidad de las técnicas de inkjet printing para la producción de antenas de radiofrecuencia eficientes y de bajo costo aplicadas a sistemas de comunicación inalámbrica. Concretamente, aprovechamos las ventajas de técnica de inkjet printing, como la flexibilidad y la ligereza de los sustratos, al diseño de sistemas de energy harvesting. Energy harvesting, definido como el proceso de recolección de energía de fuentes ambientales externas, es uno de los desafíos tecnológicos para aumentar la eficiencia espectral de las futuras redes de comunicación 5G. Esto viene asociado al aumento exponencial en los últimos años del número de fuentes transmisoras de RF, que han permitido que energy harvesting se convierta en una fuente de energía útil para los dispositivos electrónicos de bajo consumo. Como prueba de concepto, presentamos el diseño, la fabricación y la medición de diferentes antenas de banda ancha impresas con inkjet printing y un sistema completo de energy harvesting de radiofrecuencia.

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Item ID: 66989
DC Identifier: https://oa.upm.es/66989/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66989
DOI: 10.20868/UPM.thesis.66989
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 08 May 2021 14:47
Last Modified: 08 May 2021 14:47
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