Waveplates based on metasurfaces in the THz range

Los platos de onda basados en metasuperficies son componentes clave en electromagnetismo, ya que permiten un control total de la polarización de las ondas electromagnéticas con la ventaja de presentar estructuras más compactas que los platos de onda convencionales. Además, la aplicación del principio de Pancharatnam Berry (PB) a los platos de media onda (HWP) basados en metasuperficies, permite la manipulación de frentes de onda junto con la conversión de la polarización de las ondas incidentes circularmente polarizadas, simplemente girando los meta-átomos que componen la metasuperficie. Para lograr altos niveles de eficiencia de transmisión con platos de onda basados en metasuperficies, generalmente se requieren diseños multicapa. Esto implica estructuras voluminosas y complica el proceso de fabricación, restando importancia a la ventaja de utilizar metasuperficies. El propósito de esta tesis realizada en la Universidad Pública de Navarra y en L’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza (EPFL) es ofrecer una ventaja tecnológica tanto para el control de polarización como para la manipulación del frente de onda y contribuir al desarrollo de dispositivos basados en metamasuperficies, incluyendo su fabricación y verificación experimental. Los resultados incluyen lo siguiente: Un plato de media onda operando en transmisión, ultradelgado y basado en una metasuperficie en zigzag de dos capas que opera en la parte baja del espectro del THz con un 90% de eficiencia de transmisión, que se demuestra numérica y experimentalmente. Se lleva a cabo un análisis detallado de la robustez del dispositivo con respecto a los desalineamientos de las capas mediante el diseño y la fabricación de dos dispositivos adicionales con el máximo desalineamiento entre capas en ambas direcciones transversales. Una metalente ultradelgada y compacta basada en el principio Pancharatnam Berry con solo dos capas alcanzando un 90% de eficiencia de transmisión, enfocando el frente de onda de una onda incidente polarizada circularmente y convirtiendo su polarización. La estructura es estudiada semi-analítica y numéricamente y medida experimentalmente, comprobándose un excelente comportamiento como HWP PB metalente a 87 GHz. Una aplicación de ingeniería de frentes de onda para la manipulación de los mismos se demuestra numéricamente en el rango de ondas milimétricas mediante la integración de la metalente en un sistema de antena-metalente, que se estudia semi-analíticamente y se corrobora experimentalmente. El sistema convierte la polarización de las ondas polarizadas circularmente, logrando un incremento de la directividad de antena de 17 dB a ⁓35 dB a 87 GHz con un AR inferior a 0.5 dB. Finalmente, se presentan dos configuraciones extra del sistema para trabajar entre los extremos del rango de frecuencia comprendido entre 75 GHz y 105 GHz, con directividades ⁓32 dB y AR < 3 dB.Transmissive waveplates based on metasurfaces are key components in electromagnetism, as they allow for a full control of the electromagnetic wave polarization with the advantage of presenting structures more compact than conventional waveplates. Moreover, applying the Pancharatnam Berry (PB) principle to half-wave plate (HWP) metasurfaces allows the manipulation of wavefronts along with the conversion of the handedness of circularly polarized incident waves by simply rotating the meta-atoms that compose the metasurface. For achieving high levels of transmission efficiency with transmissive waveplates based on metasurfaces, multiple layer designs are usually required. It implies bulky structures and complicates the fabrication process, downplaying the aim of the use of metasurfaces. The purpose of this thesis performed at the Public University of Navarre and at École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) is to offer a technological advantage both for polarization controlling as wavefront manipulation and contribute to the development of metasurface-based devices, including their fabrication and experimental verification. The results include the following: An ultrathin transmissive half-wave plate based on a bi-layered zigzag metasurface operating at the lower-frequency edge of the THz spectrum with a 90% of transmission efficiency, which is numerically and experimentally demonstrated. A detailed analysis of the device robustness with respect to layer misalignments is carried out by designing and fabricating two additional devices with the maximum possible shift between layers along both transverse directions. A compact ultrathin metalens based on the Pancharatnam Berry principle with only two layers with a 90% of transmission efficiency, focusing the wavefront of a circularly polarized incident wave and converting its handedness. The structure is semi-analytically and numerically studied and experimentally measured, verifying an excellent behavior as HWP PB metalens at 87 GHz. A wavefront engineering application for wavefront manipulation is numerically demonstrated in the millimeter-wave range by the integration of the metalens in an antenna-metalens system, which is semi-analytically studied and experimentally corroborated. The system converts the handedness of circular polarized waves, achieving an increment of the antenna directivity from17 dB to ⁓35 dB at 87 GHz with an AR lesser than 0.5 dB. Finally, two extra system configurations are presented to work around the frequency range extremes comprised between 75 GHz and 105 GHz, with directivities ⁓32 dB and AR < 3 dB.Programa de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones, Bioingeniería y de las Energías Renovables (RD 99/2011)Bioingeniaritzako eta Komunikazioen eta Energia Berriztagarrien Teknologietako Doktoretza Programa (ED 99/2011

Agrupación de Antenas Multihaz de Banda Ancha para Aplicaciones de Localización y Comunicaciones en las Bandas de Microondas

En este proyecto se presenta el diseño y simulación de una agrupación de antenas multihaz ultra-wideband. La agrupación está compuesta por cuatro monopolos UWB, diseñados para trabajar a frecuencias entre 4.5 GHz y 10 GHz. Los monopolos presentan un tamaño reducido y compacto y están situados paralelos a un plano reflector , consiguiendo así, un diagrama de radiación direccional. El ancho de banda de impedancia del array es de 5 GHz, comprendiendo frecuencias entre 4.75 GHz y 9.75 GHz. Además se proponen dos redes de distribución, 3x3 y 4x4, basadas en matrices Butler, que se utilizarán para alimentar el array. Estas matrices obtienes desfases similares entre puertos de salida de la red y de valores distintos, dependiendo del puerto de acceso seleccionado.Moreno Peñarrubia, A. (2015). Agrupación de Antenas Multihaz de Banda Ancha para Aplicaciones de Localización y Comunicaciones en las Bandas de Microondas. http://hdl.handle.net/10251/56708.Archivo delegad