Water drop lens antenna for sub-THz imaging

La banda de frecuencias de ondas milimétricas (MMW), caracterizada por una elevada atenuación atmosférica y un gran ancho de banda disponible, se ha convertido de gran interés para aplicaciones de imágenes de radar de alta precisión. El desarrollo continuo de la tecnología de circuitos de microondas monolíticos integrados (MMIC) da lugar a la aparición de diferentes transceptores de radar comerciales (COTS) en esta banda de frecuencia, donde las antenas están totalmente integradas en el chip para evitar pérdidas en el sustrato. Las lentes se utilizan para corregir el frente de fase de estos chips mejorando la directividad y, por tanto, el rango de funcionamiento. Las lentes geodésicas, que pueden ser construidas utilizando sólo metales, ofrecen las propiedades atractivas de las lentes dieléctricas comunes sin sus pérdidas en el metarial. En este trabajo de fin de máster se ha diseñado una antena del tipo lente geodésica específica con propiedades de enfoque para mejorar las capacidades de imagen de radar del transceptor TRA-120-002 que trabaja en la banda ISM de 120 GHz. Se ha hecho un estudio de diferentes transiciones para los puntos singulares de la antena, minimizando reflexiones sin aumentar las aberraciones en la lente. En el trabajo se muestra un diseño optimizado de la apertura de la antena donde se utilizan corrugacions para mejorar el diagrama de radiación. Se ha diseñado también una pequeña antena de apertura con una metasuperfície de pines periódicos para maximizar la transmisión de energía entre el transceptor COTS y la lente. Finalmente, se ha añadido una metasuperfície basada en agujeros con simetría deslizada para evitar fugas entre las placas de la antena debido a posibles limitaciones en su fabricación. Los resultados muestran que se puede conseguir una antena de tipo lente de 5l de radio totalmente metálica con directividad superior a 19,5 dB y niveles de lóbulos secundários (SLL) entre -10,5 dB y -9,2 dB dentro de la banda de 119 GHz - 125,5 GHz mientras que la antena focaliza a 30 cm.La banda de freqüències d'ones mil·limètriques (mmW), caracteritzada per una elevada atenuació atmosfèrica i un gran ample de banda disponible, ha esdevingut de gran interès per a aplicacions d'imatges de radar d'alta precisió. El desenvolupament continu de la tecnologia de circuits de microones monolítics integrats (MMIC) dona lloc a l'aparició de diferents transceptors de radar comercials (COTS) en aquesta banda de freqüència, on les antenes estan totalment integrades al xip per evitar pèrdues en el substrat. Les lents s'utilitzen per corregir el front de fase d'aquests xips millorant la directivitat i, per tant, el rang de funcionament. Les lents geodèsiques, que poden ser construïdes utilitzant només metalls, ofereixen les propietats atractives de les lents dielèctriques comuns sense les seves pèrdues en el material. En aquest treball de fi de màster s'ha dissenyat una antena del tipus lent geodèsica específica amb propietats d'enfocament per millorar les capacitats d'imatge de radar del transceptor TRA-120-002 que treballa a la banda ISM de 120 GHz. S'ha fet un estudi de diferents transicions per als punts singulars de l'antena, minimitzant reflexions sense augmentar les aberracions a la lent. En el treball es mostra un disseny optimitzat de l'obertura de la antena on s'utilitzen corrugacions per millorar el diagrama de radiació. S'ha dissenyat també una petita antena d'obertura amb una metasuperfície de pins periòdics per maximitzar la transmissió d'energia entre el transceptor COTS i la lent. Finalment, s'ha afegit una metasuperfície basada en forats amb simetria lliscada per evitar pèrdues entre les plaques de l'antena a causa de possibles limitacions en la seva fabricació. Els resultats mostren que es pot aconseguir una antena de tipus lent de 5l de radi totalment metàl·lica amb directivitat superior a 19,5 dB i nivells de lòbuls secundaris (SLL) entre -10,5 dB i -9,2 dB dins de la banda de 119 GHz - 125,5 GHz mentre que l'antena focalitza a 30 cm.The Millimiter Wave (mmW) frequency band, characterized by a high atmospheric attenuation and wide available bandwidth has become of big interest for high accuracy radar imaging applications. The continuous development of the Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) technology yields to the appearance of different commercial-off-the-shelf (COTS) radar transceivers at that frequency band, where the antennas are fully integrated into the chip. Lenses are being used to correct the phase front of those MMIC improving the directivity and therefore the operating range. Fully metallic geodesic lenses offer the attractive properties of common dielectric lenses without their material losses. In this master thesis, a specific water-drop geodesic lens antenna with focusing properties has been designed to enhance the radar imaging capabilities of the theTRA-120-002 transceiver working at the 120 GHz Industrial, Scientific and Medical (ISM) band. Different transitions for the antenna singular points have been studied to minimize reflections without increasing aberrations in the lens. An optimized design of a radiating flare is shown where corrugations are used to improve the antenna radiation pattern. A small feeding horn antenna with a bed-of-nails Electromagnetic Band-Gap (EBG) metasurface has been designed to maximize the energy transmission between the COTS transceiver and the lens. Finally, a glide-symmetric holey metasurface has been added to prevent leakage between the antenna plates due to manufacturing limitations. The results show that a fully metallic folded lens antenna with 5l radius can achieve directivities higher than 19.5 dB and side-lobe levels (SLL) between -10.5 dB and -9.2dB within the 119 GHz - 125.5 GHz band while having an image point located at 30cm from the antenna

Transformada óptica para obtenção de mapeamento quase-conforme em mantos de invisibilidade tridimensionais

A técnica da transformada óptica, alcançada por meio da transformação de coordenadas, é utilizada para controlar a propagação de ondas eletromagnéticas, possibilitando novas aplicações com dispositivos ópticos complexos. O manto de invisibilidade se destaca como a aplicação mais reconhecida no campo da transformada óptica, devido à sua capacidade de tornar objetos invisíveis a um espectador externo. Um caso particular do manto é o tapete de invisibilidade, que tem atraído uma maior atenção por apresentar maior simplicidade de desenvolvimento e também por reduzir as dificuldades e restrições impostas pelo manto de espaço livre. Entretanto, para obter o controle de propagação de ondas desejado, a transformada óptica apresenta alguns desafios, como tensores de permeabilidade e permissividade anisotrópicos e não-homogêneos ou índices de refração com valores negativos. Uma possível alternativa para viabilizar a aplicação da transformada óptica, abordada neste trabalho, é o uso do mapeamento quase-conforme, minimizando as dificuldades inerentes da transformada óptica. Como resultado, tem-se um meio com operação em banda larga e anisotropia reduzida. Diferentes métodos serão apresentados para obter esse tipo de mapeamento,incluindo o mapeamento para a ocultação de objetos tridimensionais. Assim, neste trabalho, uma nova abordagem para alcançar o mapeamento quase-conforme será apresentada para o desenvolvimento de um tapete de invisibilidade tridimensional. Esse mapeamento será obtido por meio de técnicas de parametrização e otimização numérica, que levam à redução da anisotropia, e possibilitam utilizar somente materiais naturais isotrópicos em seu desenvolvimento. Por meio de simulações numéricas de onda completa, será possível, pela primeira vez, demonstrar a invisibilidade para quaisquer direções de propagação de onda, independentemente do ângulo de incidência e da polarização da onda eletromagnética. O funcionamento desse dispositivo será teoricamente demonstrado em diferentes faixas de frequências, inclusive no espectro de luz visível, mostrando sua capacidade de operação em banda larga

Estudio de una metasuperficie reflectante con control de polarización circular

En este trabajo se propone un patrón para la construcción de un espejo quiral. Estos metamateriales tienen la propiedad de conservar una o ambas polarizaciones de una onda circularmente polarizada tras su reflejo. El patrón propuesto tiene por nombre “Twisted Split Ring Resonators”, y consiste en dos anillos con cortes (SRR; por sus siglas en inglés) colocados a 90º uno respecto del otro, impresos sobre un dieléctrico colocado delante de una lámina metálica. El estudio de esta estructura se llevará a cabo mediante una breve introducción a los metamateriales, y en particular a los metamateriales planos. Seguidamente, se dará una explicación al funcionamiento de la estructura, mediante la teoría de la interacción dipolar. Exponiendo los fundamentos teóricos de dicha teoría y su demostración mediante simulaciones con el programa CST STUDIO SUITE®. Por último, se presenta el resultado final de la estructura propuesta frente a incidencia de luz circularmente polarizada, y se estudiará como se ve afectado este resultado cuando variamos algunos de los parámetros más importantes de la estructura, véase por ejemplo, el ángulo de incidencia, el espesor del sustrato o el espacio entre anillos.Grado en Físic

Conversor de polarização linear de banda ultra larga baseado em metasuperfície anisotrópica

Uma metasuperfície homogênea anisotrópica ultrafina e de banda ultra larga, atuando como conversor de polarização linear através de reflexão é projetada e simulada neste trabalho. A estrutura proposta cobre quase inteiramente as bandas Ku e K. A célula unitária da metasuperfície proposta é composta de um arranjo periódico de espiras quadradas concêntricas dispostas sobre um substrato dielétrico aterrado, na qual é feito um corte diagonal, fornecendo características de um material homogêneo anisotrópico com permissividade e permeabilidade relativas dispersivas. Resultados simulados mostram que uma eficiente conversão de polarização cruzada (CPC), tanto para incidência normal quanto para oblíqua, é alcançada considerando a largura de banda de 10 dB, com largura de banda fracional de 66,32%, de 13,0 GHz a 25,9 GHz e com uma taxa de conversão de polarização média de 97,2%. A grande banda de operação da estrutura é resultado de múltiplas ressonâncias plasmônicas ocorrendo em três frequências vizinhas (15,3 GHz, 17,1 GHz e 25,3 GHz) resultando em uma significante expansão das frequências de operação. Devido às características de subcomprimento de onda da metasuperfície, a célula unitária tem um pequeno tamanho em relação ao comprimento de onda de operação, fazendo desta estrutura uma candidata em potencial para muitas aplicações práticas em dispositivos de manipulação de polarização e comunicação, como antenas refletoras, redução de RCS e sensores remotosAn ultra-thin and ultra-wideband homogeneous anisotropic metasurface, acting as a linear polarization conversor through reflection is designed and simulated in this research. Covering almost the entire Ku-band and K-band The unit cell of the proposed metasurface is made of a periodic arrangement of concentric square loops on a grounded dielectric substrate, in which a diagonal split is made, providing properties of a homogeneous anisotropic material with dispersives relatives permissibility and permeability. The simulated results shows that an efficient cross polarization conversion (CPC), both for normal as well as for oblique incidence, is achieved with 10 dB fractional bandwidth of 66.32% from 13.0 GHz to 25.9 GHz and with an average polarization conversion ratio of 97.2%. The wideband of the proposed struct results from multiple plasmonic resonances occurring at three neighboring frequencies (15.3 GHz, 17.1 GHz and 25.3 GHz) resulting in a significant expansion of the operating frequency range. Owing to the sub-wavelength metasurface, the unit cell has a small size compared to the operation wavelength range, which makes it a potential candidate for many practical applications in polarization manipulating devices and communication, like reflective antennas, RCS reduction and remote radiometer sensor

Implementação de estruturas EBG em antenas de microfitas e polarização linear-circular com metasuperfície para WLAN

With the wide use of wireless communication systems and its application in Wireless Local Area Network (WLAN) frequency band, the present work aims to analyze the behavior of microstrip antennas, designed in configurations of structures with resonator rings (SRR), resonators (CSRRs) and banned electromagnetic bands (EBG) with bandwidth above 400 MHz. These elements are periodically inserted under the patch on the antennas substrate and developed for ISM frequency bands - bands reserved for industrial, scientific and medical development (2.45 GHz and 5.85 GHz). Hence, the objective is to improve the performance of the electromagnetic parameters of these modern microstrip antennas. Then, the proposed antennas are applied to the simplified cell metasurface model, in order to provide the ability to convert the linearly polarized signals generated by a microstrip antenna into circularly polarized signals, obeying their projected operating range. To obtain optimization of the structures modeled in the polarization according to the response of frequency band, axial ratio and desired return loss, the optimetric tool was used, allowing to exploit results for return loss of less than -10 dB and axial ratio below 3 dB. The numerical analysis of the structures takes place through ANSYS HFSS and, to validate these results, the structures will be experimentally characterized.O Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqCom a ampla utilização de sistemas de comunicação sem fio e sua aplicação em banda de frequência WLAN (Wireless Local Area Network), o presente trabalho visa analisar o comportamento de antenas de microfita, projetadas em configurações de estruturas com anéis ressoadores (SRR), ressoadores complementares (CSRR) e bandas eletromagnéticas proibidas (EBG) com largura de banda acima de 400 MHz. Esses elementos são inseridos periodicamente sob o patch no substrato das antenas e aplicadas para faixas de frequência ISM - bandas reservadas no desenvolvimento industrial, científico e médico (2,45 GHz e 5,85 GHz). Dessa forma, objetiva-se melhorar o desempenho dos parâmetros eletromagnéticos das antenas de microfita. Em seguida, aplicou-se à antena de microfita padrão uma estrutura metasuperfície com células simplificadas, de forma a proporcionar capacidade de converter os sinais linearmente polarizados, gerados por uma antena de microfita, em sinais circularmente polarizados, obedecendo a faixa de operação projetada. Para obter a otimização das estruturas modeladas na polarização, de acordo com a resposta em banda de frequência, razão axial e perda de retorno desejada, a ferramenta optimetric foi utilizada, permitindo explorar resultados para perda de retorno menor que -10 dB e razão axial abaixo de 3 dB. A análise numérica das estruturas se deu por meio do ANSYS HFSS e, para a validar esses resultados, as estruturas foram experimentalmente caracterizadas

Managing light in optoelectronic devices with resonant optical nanostructures

Actualment, un dels reptes en l'àmbit de la manipulació de la llum a la nanoescala és la transició del laboratori a aplicacions reals. Tot i el gran potencial demostrat per algunes estructures fotòniques per a incrementar la eficiència de instruments optoelectrònics, la seva implementació de d'aquestes a dispositius de mercat sovint es obstruïda per la necessitat d'usar tècniques de fabricació poc escalables i d'alt cost. Aquesta tesis està dedicada al disseny i implementació de estratègies de manipulació de la llum per a millorar la eficiència en la recol·lecció d'energia de plaques solars i fotodetectors, així com la millora de la emissió en dispositius d'il·luminació, mitjançant mètodes de nanoestructuració escalables com la nano-litografia suau. Aquesta tècnica té la capacitat de produir patrons i estructures amb una resolució de pocs nanòmetres amb gran fidelitat en àrees grans. A més a més, és compatible amb el processament a gran escala mitjançant el sistema de impressió en cadena "roll to roll" (carret-a-carret). També es tracta d'una tecnologia molt versàtil, ja que permet l'ús de diferents tipus de substrats, és poc invasiva i generalment pot ser introduïda en el esquema de fabricació sense haver de modificar cap pas. Amb l'ajuda d'aquesta tècnica de nanofabricació, explorem una varietat de arquitectures fotòniques i les diferents ressonàncies fotòniques que les fan especials. Entre aquestes darreres podem trobar ressonàncies de Mie, modes de Brewster i modes de cristall fotònic, que proveiran al sistema amb una major interacció llum-matèria a la capa activa del dispositiu, podent-ne millorar les seves capacitats òptiques. Primer, hem desenvolupat una estratègia per aconseguir una absorció optima de banda ample en semiconductors ultra-fins, amb menys de 100 nm de gruix, per a totes les energies per sobre de la seva energia de banda prohibida. La sinèrgia de les fortes ressonàncies d'interferència de capes fines presents i els modes del cristall fotònic de l'estructura (amb un alt índex de refracció) fan que l'estructura assoleixi fins a un 81% d'absorció en una ampli rang de longituds d'ona (de 400 a 1500 nm). En segon lloc, hem combinat la litografia suau amb la deposició química de vapor (CVD en anglès) per obtenir una matriu de semiesferes de silici sobre de una guia d'ones d'alt índex de refracció. Hem estudiat les ressonàncies de Mie característiques del substrat, com hibriden amb modes quasi-guiats de la guia d'ones i com això afecta al camp proper de la metasuperfície. Hem anat un pas més enllà estudiant la com la modificació dels paràmetres de disseny de l'estructura afecta les ressonàncies esmentades. Finalment, n'hem demostrat una possible aplicació com a substrat per a incrementar la emissió de llum per part de una molècula emissora. En la tercera part de la tesi, ens hem enfocat en la implementació de estructures de cristall fotònic bidimensional a tres dispositius diferents per a la millora de la seva eficiència. En particular, millorem la eficiència en la recol·lecció de fotons d'infraroig proper en cèl·lules solars de punts quàntics col·loïdals (PbS) i en fotodetectors orgànics (P3HT: PC60BM i PBTTT: PC70BM), i millorem l'emissió de llum de capes de nanofòsfors (nanocristalls de GdVO4:Eu3+). Hem desenvolupat sistemes fotònics adaptats a cada cas i hem fet una caracterització òptica i electrònica de tots els dispositius. La nanoestructuració en forma de cristall fotònic bidimensional proveeix a les capes actives amb propietats de guies d'ona ressonants, millorant les seves propietats de confinament de la llum en les longituds d'ona desitjades, demostrant així la possibilitat d'implementar les arquitectures.Actualmente, uno de los retos en el ámbito de la manipulación de la luz a la nanoescala es la transición del laboratorio a aplicaciones reales. A pesar del gran potencial demostrado por algunas estructuras fotónicas para incrementar la eficiencia de instrumentos optoelectrónicos, su implementación en dispositivos de mercado muchas veces es obstruida por la necesidad de utilizar técnicas de fabricación poco escalables y de alto coste. Esta tesis está dedicada al diseño e implementación de estrategias de manipulación de la luz para mejorar la eficiencia en la recolección de energía de placas solares y fotodetectores, así como la mejora de la emisión en dispositivos de iluminación, mediante métodos de nanoestructuración escalables como la nano-litografía suave. Esta técnica tiene la capacidad de producir patrones y estructures con una resolución de pocos nanómetros con gran fidelidad en áreas grandes. Encima, es compatible con el procesamiento a gran escala mediante el sistema de impresión en cadena "roll-to-roll" (carrete-a-carrete). También se trata de una tecnología muy versátil, puesto que permite el uso de diferentes tipos de sustratos, es poco invasiva y generalmente puede ser introducida en el esquema de fabricación sin tener que modificar ningún paso. Con la ayuda de esta técnica de nanofabricación, exploramos una variedad de arquitecturas fotónicas y las diferentes resonancias fotónicas que las hacen especiales. Entre estas últimas podemos encontrar resonancias de Mie, modos de Brewster y modos de cristal fotónico, que proveerán al sistema con una mayor interacción luz-materia a la capa activa del dispositivo, mejorar sus capacidades ópticas. Primero, hemos desarrollado una estrategia para conseguir una absorción óptima de banda ancha en semiconductores ultra-finos, con menos de 100 nm de grosor, para todas las energías por encima de su energía de banda prohibida. La sinergia de las fuertes resonancias de interferencia de capas finas presentes y los modos del cristal fotónico de la estructura (con un alto índice de refracción) hacen que la estructura logre hasta un 81% de absorción en un amplio rango de longitudes de omda (de 400 a 1500 nm). En segundo lugar, hemos combinado la litografía suave con la deposición química de vapor (CVD en inglés) para obtener una matriz de semiesferas de silicio sobre de una guía de ondas de alto índice de refracción. Hemos estudiado las resonancias de Mie características del sustrato, como hibridan con modos casi-guiados de la guía de olas y como esto afecta en el campo próximo de la metasuperfície. Hemos ido un paso más allá estudiando como la modificación de los parámetros del diseño de la estructura afecta a las resonancias mencionadas. Finalmente, hemos demostrado una posible aplicación como sustrato para incrementar la emisión de luz por parte de una molécula emisora. En la tercera parte de la tesis, nos hemos enfocado en la implementación de estructuras de cristal fotónico bidimensional a tres dispositivos diferentes para la mejora de su eficiencia. En particular, mejoramos la eficiencia en la recolección de fotones de infrarrojo próximo en células solares de puntos cuánticos coloidales (PbS) y en fotodetectores orgánicos (P3HT: PC60BM y PBTTT: PC70BM), y mejoramos la emisión de luz de capas de nanofósforos (nanocristales de GdVO4:Eu3+). Hemos desarrollado sistemas fotónicos adaptados a cada caso y hemos hecho una caracterización óptica y electrónica de todos los dispositivos. La nanoestructuración en forma de cristal fotónico bidimensional provee a las capas activas con propiedades de guías de onda resonantes, mejorando sus propiedades de confinamiento de la luz en las longitudes de onda deseadas, demostrando así la posibilidad de implementar las arquitecturas.Currently, one of the main challenges in light management at the nanoscale is the transition from the laboratory to real applications. Despite the great potential shown by photonic architectures to optically improve the performance of many devices, transitioning into marketable devices is often hampered by the low-throughput and expensive nanofabrication techniques involved. This thesis is devoted to the design and development of subwavelength light managing strategies to improve the light harvesting or out-coupling in solar cells, photodetectors and light emitters while using a scalable nanostructuration such as soft nanoimprint lithography (NIL). This technique has been proven to achieve resolutions down to few tens of nanometers with high fidelity in large areas, being compatible with roll to roll processing. It is also versatile regarding the materials where it can be used, non-invasive, and can be seamlessly introduced in the devices fabrication scheme. With the aid of this technique, we explore a variety of photonic architectures and the different types of resonances sustained, from Brewster modes to Mie resonances, in order to enhance the light-matter interaction with the active layer of the device. First, we develop a strategy to achieve broadband optimal absorption in ultra-thin semiconductor materials (less than 100 nm thick) for all energies above their bandgap. The interplay of strong interference thin film resonances and photonic crystal modes sustained by a high refractive index nanostructure on a gold film renders the system with a 81% total absorption over a broad spectral range (from 400 to 1500 nm). Second, we combine soft NIL and chemical vapor deposition to obtain an array of silicon hemispheres on top of a high refractive index dielectric waveguide. We study the Mie resonances supported by the substrate, how these hybridize with the guided modes of the waveguide and how their interaction influences the electromagnetic near field of the metasurface. We further explore the tunability of such resonances with the design parameters of the structure and we demonstrate a potential application of it as a substrate for enhanced photoluminescence. In the third part of the thesis, we focus on the implementation of 2D photonic structures within the active layer of three different devices to improve performance. In particular we enhance the near infrared (NIR) photon harvesting efficiency in a colloidal quantum dot solar cell (PbS-CQD) and in organic photodetectors (P3HT: PC60BM and PBTTT: PC70BM) and improve the light out coupling from a nanophosphor layer (GdVO4:Eu3+ nanocrystals). We developed photonic systems tailored for each device and provide the complete optical and electronic characterization for each case. The nanostructuration with a 2D periodic arrangement renders the active layers with resonant waveguide properties enhancing its light trapping properties in the targeted spectral ranges, hence demonstrating the possibility to implement photonic schemes within actual devices

Geodesic Lens Antenna for sub-THz Imaging

The Millimiter Wave (mmW) frequency band, characterized by a high atmospheric attenuation and wide available bandwidth has become of big interest for high accuracy radar imaging applications. The continuous development of the Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) technology yields to the appearance of different commercial-off-the-shelf (COTS) radar transceivers at that frequency band, where the antennas are fully integrated into the chip. Lenses are being used to correct the phase front of those MMIC improving the directivity and therefore the operating range. Fully metallic geodesic lenses offer the attractive properties of common dielectric lenses without their material losses. In this master thesis, a specific water-drop geodesic lens antenna with focusing properties has been designed to enhance the radar imaging capabilities of the TRA- 120-002 transceiver working at the 120 GHz Industrial, Scientific and Medical (ISM) band. Different transitions for the antenna singular points have been studied to minimize reflections without increasing aberrations in the lens. An optimized design of a radiating flare is shown where corrugations are used to improve the antenna radiation pattern. A small feeding horn antenna with a bed-of-nails Electromagnetic Band-Gap (EBG) metasurface has been designed to maximize the energy transmission between the COTS transceiver and the lens. Finally, a glide-symmetric holey metasurface has been added to prevent leakage between the antenna plates due to manufacturing limitations. The results show that a fully metallic folded lens antenna with 5l radius can achieve directivities higher than 19.5 dB and side-lobe levels (SLL) between -10.5 dB and -9.2 dB within the 119 GHz - 125.5 GHz band while having an image point located at 30 cm from the antenna. Frekvensbandet för millimetervågor (mmW), som kännetecknas av en hög atmosfärisk dämpning och stor tillgänglig bandbredd har blivit av stort intresse för tillämpningar med hög noggrannhet för radarbild. Den kontinuerliga utvecklingen av monolitisk mikrovågsintegrerad kretsteknologi (MMIC) ger upphov till olika kommersiella lösningar (COTS) för radarsändtagare vid det frekvensband där antennerna är helt integrerade i chipet. Linser används för att korrigera fasfronten hos de MMIC som förbättrar riktningen och därmed driftsområdet. Helt metalliska geodetiska linser erbjuder de eftertraktade egenskaperna hos vanliga dielektriska linser utan att det uppstår materiella förluster. I det här examensarbetet har en specifik geodetisk linsantenn i form av en vattendroppe med fokuseringsegenskaper utformats för att förbättra radaravbildningsfunktionerna hos TRA-120-002 sändtagare som arbetar med 120 GHz ISM band. Olika övergångar för antennens enstaka punkter har studerats för att minimera reflektioner utan att samtidigt öka avvikelser i linsen. En optimerad design av ett strålningsflare visas där korrugeringar används för att förbättra antennens strålningsmönster. En liten hornantenn med en elektromagnetisk bandgapsmetayta (EBG) har utformats för att maximera energiöverföringen mellan COTS-sändtagaren och linsen. Slutligen har en glidsymmetrisk och hålformig metayta lagts till för att förhindra läckage mellan antennplattorna på grund av tillverkningsbegränsningar. Resultaten visar att en helt metallisk, vikt linsantenn med 5l radie kan uppnå en högre direktivitet än 19,5 dB med sidolobnivåer (SLL) mellan -10,5 dB och -9,2 dB. Detta kan uppnås inom bandet 119 GHz - 125,5 GHz när en bildpunkt ligger 30 cm från antennen.La banda de freqüències d’ones mil·limètriques (mmW), caracteritzada per una elevada atenuació atmosfèrica i un gran ample de banda disponible, ha esdevingut de gran interès per a aplicacions d’imatges de radar d’alta precisió. El desenvolupament continu de la tecnologia de circuits de microones monolítics integrats (MMIC) dona lloc a l’aparició de diferents transceptors de radar comercials (COTS) en aquesta banda de freqüència, on les antenes estan totalment integrades al xip per evitar pèrdues en el substrat. Les lents s’utilitzen per corregir el front de fase d’aquests xips millorant la directivitat i, per tant, el rang de funcionament. Les lents geodèsiques, que poden ser construïdes utilitzant només metalls, ofereixen les propietats atractives de les lents dielèctriques comuns sense les seves pèrdues en el material. En aquest treball de fi de màster s’ha dissenyat una antena del tipus lent geodèsica específica amb propietats d’enfocament per millorar les capacitats d’imatge de radar del transceptor TRA-120-002 que treballa a la banda ISM de 120 GHz. S’ha fet un estudi de diferents transicions per als punts singulars de l’antena, minimitzant reflexions sense augmentar les aberracions a la lent. En el treball es mostra un disseny optimitzat de l’obertura de la antena on s’utilitzen corrugacions per millorar el diagrama de radiació. S’ha dissenyat també una petita antena d’obertura amb una metasuperfície de pins periòdics per maximitzar la transmissió d’energia entre el transceptor COTS i la lent. Finalment, s’ha afegit una metasuperfície basada en forats amb simetria lliscada per evitar pèrdues entre les plaques de l’antena a causa de possibles limitacions en la seva fabricació. Els resultats mostren que es pot aconseguir una antena de tipus lent de 5l de radi totalment metàl·lica amb directivitat superior a 19,5 dB i nivells de lòbuls secundaris (SLL) entre -10,5 dB i -9,2 dB dins de la banda de 119 GHz - 125,5 GHz mentre que l’antena focalitza a 30 cm.

Study on the electrodynamics of topological insulators and metamaterials

Nesta tese são apresentados estudos teóricos acerca da eletrodinâmica de isolantes topológicos (ITs) e metamateriais (MTMs). São investigadas as principais propriedades de ondas eletromagnéticas (EMs) confinadas unidimensionalmente por um guia de onda do tipo slab, cujas paredes são ITs tridimensionais (ITs-3D). Os resultados mostram que, nesse ambiente, a radiação ́e sujeita à uma frequência de corte com estabilidade topológica, que por sua vez ́e relacionada com o comprimento de penetração dos estados metálicos no bulk do material. Tal frequência pode ser interpretada como um limiar de influência da fase ITa sobre as ondas EMs propagantes no sistema. Na parte referente à MTMs, foi estudada a dinâmica de plasmons polaritons superficiais (PPSs) em uma metasuperfície (MTS) que exibe o efeito Hall de spin fotˆonico (EHSF). Foi proposto um modelo que aproxima a MTS de um meio efetivo, do qual obteve-se a relação de dispersão e grandezas relacionadas ao confinamento longitudinal e transversal dos modos de PPSs. Utilizando a abordagem proposta para a MTS, foram calculadas as quantidades associadas ao EHSF fundamentando-se nas recentes verificações experimentais do referido efeito. Em seguida, a sinergia entre características fotônicas e plasmônicas foi explorada investigando-se a excitação de PPSs através do EHSF induzido pela MTS.In this thesis, it is presented theoretical studies about topological insulators (TIs) and metamaterials (MTMs). We investigate the main properties of electromagnetic (EM) waves unidimensionally confined by a slab type waveguide, whose walls are tridimensional TIs (3D-TIs). The results show that, in this environment, radiation is subjected to a cutoff frequency with topological stability, which is related to the penetration depth of metallic states in the material bulk. Such frequency may be interpreted as a threshold of influence of the TI phase over the propagating EM waves in the system. As for the MTMs, was studied the dynamics of surface plasmons polaritons (SPPs) in a metasurface (MTS), which shows the photonic spin Hall effect (PSHE). A model was proposed to approach the MTS as an effective medium, of which we have obtained the relation of dispersion and quantities related to the longitudinal and transversal confinement of the SPPs modes. Using this approximation, were calculated the quantities associated to the PSHE, basing on the recent experimental verifications of the aforementioned effect. Then, the synergy between photonic and plasmonic characteristics was explored by investigating SPPs excitations through the PSHE induced by the MTS.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio