Design of millimeter wave TransmitArrays using high permittivity 3D-printed materials

Abstract

The rapid growth of Millimeter Wave (MMW) technologies has driven the demand for compact, efficient, and low cost antennas suitable for broadband communications. Metamaterial antennas of the TA type emerge as promising alternatives to traditional solutions, offering high gain, low losses, and ease of integration. Recent advances in Additive Manufacturing (AM) facilitates the implementation of these antennas with low cost dielectric materials. This technology allows the exploration of unconventional geometries to control the electromagnetic properties of the antenna. This dissertation focuses on the implementation of low cost TAs using AM. The objective of this work is to explore the new generation of commercial high permittivity materials in order to significantly reduce the antenna profile and enable more compact and efficient solutions. The work begins with the study of phase manipulation with simple dielectric structures, establishing the relationship between the geometry and permittivity of the material. Based on these principles, two types of antennas were developed: i) a TA for collimating a focal system with a tilt; ii) an antenna with mechanical tracking based on the Risley Prism concept. The results obtained demonstrate that high permittivity materials are an alternative for implementing TA antennas, allowing the low profile of PCB based solutions to be combined with the high bandwidth associated with dielectric solutions and the versatility of AM.

O rápido crescimento das tecnologias de ondas milimétricas (MMW) tem impulsionado a procura de antenas compactas, eficientes e de baixo custo, adequadas para comunicações de banda larga. As antenas metamateriais do tipo TransmitArray (TA) surgem como alternativas promissoras às soluções tradicionais, oferecendo elevado ganho, baixas perdas e facilidade de integração. Os recentes avanços na fabricação aditiva (AM) permitem facilitar a implementação destas antenas com materiais dielétricos de baixo custo. Esta tecnologia permite explorar geometrias não convencionais para controlar as propriedades eletromagnéticas da antena. Esta dissertação centra-se na implementação de TAs de baixo custo com recurso a AM. O objetivo deste trabalho é explorar a nova geração de materiais comerciais de elevada permitividade de forma a reduzir significamente o perfil da antena e permite soluções mais compactas e eficientes. O trabalho inicia-se com o estudo da manipulação de fase com estruturas dielétricas simples, estabelecendo a relação entre a geometria e permitividade do material. A partir destes princípios, foram desenvolvidos dois tipos de antenas: i) um TA para colimação de um sistema focal com desvio; ii) uma antenna com seguimento mecânico baseado no conceito Risley Prism. Os resultados obtidos demonstram que os materiais de elevada permitividade são uma alternativa para implementar antennas TA permitindo combinar o baixo perfil de soluções baseadas em Printed Circuit Board (PCB), com a elevada largura de banda associada a soluções dielétricas e a versatilidade da AM.