@misc{10481/97394,
year = {2024},
url = {https://hdl.handle.net/10481/97394},
abstract = {Over the last few decades, the exponential growth of smart devices has
drastically increased the demand for high-capacity communication links.
The rapid increase in the data transmission, especially for streaming applications,
has driven to the search for wireless links operating at higher frequencies.
Consequently, the primary goal in current Fifth Generation (5G)
and future Sixth Generation (6G) mobile networks is to utilize channels in
the millimeter-wave bands (from 30 to 300 GHz) and even the sub-THz band
(up to 1 THz) to achieve greater bandwidth and capacity in communication
links.
However, at these frequencies, propagation losses in the channels and
antenna directivity become more pronounced. In this context, broadcasting,
where a single user sends information to multiple users, becomes challenging.
Thus, new communication systems focusing on point-to-point links with
beam-steering capabilities have emerged as promising solutions. Additionally,
frequency mixing, which allows antennas to transmit information across
different frequency bands (such as for telephony or geolocation), presents a
viable alternative to design more efficient devices.
This Doctoral Thesis focuses on the development of radiating systems
and metastructures that address these technological challenges. In particular,
we research the use of periodically-modulated metamaterials to modify
the properties of antennas in the millimeter-wave bands. We divide this
extensive topic into three main categories: spatial modulations, time modulations
and spacetime modulations. In each of them, we propose different
devices that present interesting capabilities in the millimeter-wave bands.
On the one hand, concerning spatial modulations, we propose several
passive metamaterials/metasurfaces, including: a Fresnel lens-antenna designed
to enhance directivity and introduce beam-steering capabilities to a
conventional waveguide at 60 GHz, and a metasurface for polarization control
in reflection at K/Ka satellite bands. Additionally, we develop analytical
frameworks based on Floquet-Bloch expansions of the electromagnetic
fields and integral-equation methods to simulate these spatially-modulated
metamaterials from a circuit-based perspective. Specifically, we use the
circuit theory, previously applied to static spatial metasurfaces, in a 3D
metadevice and a 2D metagrating loaded with lumped elements (diodes,
resistors, capacitors and inductors). On the other hand, regarding time modulations, we propose a theoretical
framework to simulate a time-varying metasurface that alternates its electrical
properties (air, metal and grating states). Due to the lack of commercial
full-wave software to simulate this kind of devices in an efficient manner, this
solution arises as a good alternative in this topic. Furthermore, we implement
a finite-difference time-domain (FDTD) method to test the obtained
analytical results.
These works lead to the development of a comprehensive theoretical tool
for simulating spacetime-modulated metasurfaces. The proposed spacetime
device demonstrates both beamforming and frequency mixing capabilities in
the microwave bands, offering promising and intriguing features for future
telecommunications systems.
Additionally, a setup for electromagnetic characterisation of materials
is proposed with the aim of understanding the constitutive parameters of
homogeneous dielectrics that can be useful for the design of metamaterials
in the millimeter-wave bands.},
abstract = {En las últimas décadas, el crecimiento exponencial de los dispositivos
inteligentes ha aumentado drásticamente la demanda de enlaces de comunicación de alta capacidad. El rápido incremento en la transmisión de datos,
especialmente para aplicaciones de streaming, ha impulsado la búsqueda de
enlaces inalámbricos que operen a frecuencias más altas. En consecuencia,
el objetivo principal en las redes móviles actuales 5G y futuras 6G es utilizar
canales en las bandas de ondas milimétricas (de 30 a 300 GHz) e incluso en
la banda sub-THz (hasta 1 THz) para lograr un mayor ancho de banda y
capacidad en los enlaces de comunicación.
Sin embargo, a estas frecuencias, las pérdidas de propagación en los
canales y la directividad de las antenas se vuelven más pronunciadas. En
este contexto, el broadcasting, donde un único usuario envía información a
múltiples usuarios, se vuelve complejo. Por lo tanto, los nuevos sistemas de
comunicación que se centran en enlaces punto a punto con capacidades de direccionamiento
de haz han surgido como soluciones prometedoras. Además,
la mezcla de frecuencias, que permite a las antenas transmitir información
a través de diferentes bandas de frecuencia (como para telefonía o geolocalización), presenta una alternativa viable para diseñar dispositivos más
eficientes.
Esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de sistemas radiantes y
metaestructuras que aborden estos desafíos tecnológicos. En particular, investigamos
el uso de metamateriales modulados periódicamente para modificar
las propiedades de las antenas en las bandas de ondas milimétricas.
Dividimos este amplio campo en tres categorías principales: modulaciones
espaciales, modulaciones temporales y modulaciones espaciotemporales. En
cada una de ellas, proponemos diferentes dispositivos que presentan capacidades
interesantes en las bandas de ondas milimétricas.
Por un lado, en lo que respecta a las modulaciones espaciales, proponemos
varios metamateriales/metasuperficies pasivos, incluyendo: una
antena tipo lente de Fresnel diseñada para mejorar la directividad e introducir
capacidades de direccionamiento de haz en una guía de ondas convencional
a 60 GHz, y una metasuperficie para controlar la polarización en
reflexión en las bandas satelitales K/Ka. Además, desarrollamos marcos
analíticos basados en expansiones de Floquet-Bloch de los campos electromagnéticos y en métodos de ecuaciones integrales para simular estos metamateriales
modulados espacialmente desde una perspectiva basada en circuitos. Específicamente, utilizamos la teoría de circuitos, previamente aplicada
a metasuperficies espaciales estáticas, en un dispositivo metálico 3D
y en un metagrating 2D cargado con elementos activos (diodos, resistores,
condensadores y bobinas).
Por otro lado, en lo que respecta a las modulaciones temporales, proponemos
un marco teórico para simular una metasuperficie variable en el
tiempo que alterna sus propiedades eléctricas (entre estados aire, metal y
grating). Debido a la falta de softwares comerciales de onda completa para
simular este tipo de dispositivos de manera eficiente, esta solución surge
como una buena alternativa en este campo. Además, implementamos un método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) para comprobar
los resultados analíticos obtenidos.
Estos trabajos llevan al desarrollo de una herramienta teórica completa
para simular metasuperficies moduladas en el espacio y tiempo simultáneamente.
El dispositivo propuesto demuestra capacidades tanto de formación de haces
como de mezclado de frecuencias en las bandas de microondas, ofreciendo
características prometedoras e intrigantes para los sistemas de telecomunicaciones
futuros.
Adem´á, se propone un setup para la caracterizacioión electromagnética
de materiales con el objetivo de comprender los parámetros constitutivos de
dieléctricos homogéneos que puedan ser útiles para el diseño de metamateriales
en las bandas de ondas milimétricas.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {Grant PID2020-112545RBC54 funded by MCIN/AEI/10.13039/50110001103},
organization = {Grants TED2021-129938B-I00 and TSI-064100- 2022-20 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033},
organization = {European Union NextGenerationEU/PRTR},
organization = {Grants P18-RT-4830 and A-TIC-608-UGR20 funded by Junta de Andalucía and ERDF A way of making Europe},
publisher = {Universidad de Granada},
keywords = {Metamaterials},
keywords = {metasurfaces},
keywords = {periodic structures},
keywords = {Metamateriales},
keywords = {metasuperficies},
keywords = {estructuras periódicas},
title = {Development of 2D and 3D structures for millimeter-wave communications and future applications},
author = {Moreno Rodríguez, Salvador},
}