Progetto di lente a metamateriali per antenne bowtie a 140 GHz

Questa tesi ha lo scopo di presentare il progetto di una lente a metamateriali che lavori a 140 GHz per un’antenna di tipo bowtie. Sebbene in letteratura esistano numerosi articoli che trattano di lenti per antenne, l’idea innovativa alla base di questo progetto è quella di realizzare un dispositivo che possa essere realizzato in tecnologia planare, tramite gli stessi processi produttivi con cui si realizza l’antenna stampata. Grazie all’utilizzo di metamateriali è stato possibile progettare una lente cilindirca ad indice di rifrazione variabile in silicio. Il profilo desiderato dell’indice di rifrazione si ottiene realizzando fori di dimensioni differenti nel cilindro di silicio. In questo modo, in base alla percentuale di aria e di silicio in ogni sezione della lente, l’onda elettromagnetica incidente osserverà un materiale con constante dielettrica di valore compreso tra quella dell’aria e quella del silicio. Ciò è possibile in quanto la dimensione dei fori è molto minore della lunghezza d’onda a 140 GHz. Anelli più esterni presentano fori più grandi mentre avvicinandosi al centro si hanno dimensioni minori. La presenza di un materiale con indice di rifrazione variabile fa sì che le onde elettromagnetiche che si propagano al suo interno si propaghino con velocità di gruppo differenti al variare della posizione. Ciò comporta che i raggi che si propagano negli strati più esterni (con indice minore) siano più veloci mentre quelli negli strati più interni più lenti. In questo modo si compensa la differenza di lunghezza del percorso andando di fatto a trasformare l’onda emessa dalla sorgente (antenna) in un’onda piana. Il progetto del dispositivo è stato effettuato utilizzando il simulatore COMSOL Multiphysics ®. Sono stati effettuati studi preliminari sull’antenna utilizzata e successivamente sull’antenna combinata con la lente, in questo modo è stato possibile confrontare i risultati verificando l’efficacia della lente. Il modello è stato realizzato tenendo conto dei vincoli di realizzazione della catena produttiva SiGe degli IHP, e l’antenna è provvista di una rete di adattamento che consente dopo la realizzazione del dispositivo di effettuare misurazioni che potranno validare i risultati delle simulazioni effettuate. La presenza della lente rende l’antenna bowtie molto più direttiva raggiungendo un guadagno effettivo di 11.02 dB, contro gli 1.89 dB dell’antenna da sola (nel guadagno sono comprese le perdite della rete di alimentazione e di disadattamento, nonché l’efficianza dell’antenna). L’aumento considerevole del guadagno comporta una leggera riduzione dell’efficienza totale che passa dall’85% all’82%. Rispetto ai 20 GHz della bowtie la banda del modelo con la lente risulta ridotta con un return loss sotto i -10 dB da 135 GHz a 149 GHz, ovvero per 14 GHz (il 10% di banda in proporzione alla frequenza di centrobanda). Nonostante la riduzione della banda e del guadagno (che cala al di fuori dei 140 GHz, rimandendo comunque al di sopra dei 5 dB) il modello finale risulta funzionare correttamente a larga banda con prestazioni migliori dell’antenna singola.