Development of 2D and 3D structures for millimeter-wave communications and future applications

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.

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.