Electromagnetic Modeling Methods for Microstrip Patch Antennas up to the Millimeter-Wave and Sub-Terahertz Bands

Abstract

In the current world of highly integrated communications, reliable and robust systems will be required to develop the 6G networks. The millimeter-wave band (30 GHz–100 GHz) and the sub-terahertz band (100 GHz–300 GHz) have promising possibilities in radar and communication systems, such as broad bandwidth, device miniaturization, and high integration with electronic technology. As 6G communications will be the dominant technology in the coming years, highlyaccurate antenna design is becoming essential to building systems that meet the expected performance standards. Despite the wide availability of antenna models working at frequencies below 10 GHz, they need to be in-depth reviewed and reformulated, especially in the sub-terahertz band. Thus, the work developed in this doctoral dissertation provides a framework of analytical methods for electromagnetic antenna modeling, enabling the design of microstrip patch antennae up to 300 GHz. This work covers unprecedentedly diverse models in frequency ranges from radiofrequency to the sub-terahertz band. The proposed model formulations consider the geometrical and electrical imperfections of materials used for antenna design. They show high accuracy in the modeled frequency response for measured antennas and transmission lines up to 110 GHz; and for simulated microstrip patch antennas up to 300 GHz, with thickness up to 5 % of the freespace wavelength, copper layers up to 35 μm thick, and with surface roughness up to 1 μm.

Dado que las comunicaciones 6G serán la tecnología dominante en los próximos años, el diseño de antenas de alta precisión se está volviendo esencial para construir sistemas que cumplan con los estándares de rendimiento esperados. La banda de ondas milimétricas (30 GHz–100 GHz) y la banda de sub-terahercios (100 GHz–300 GHz) tienen posibilidades prometedoras en sistemas de radar y comunicaciones. A pesar de la amplia disponibilidad de modelos de antenas que funcionan en frecuencias inferiores a 10 GHz, es necesario revisarlos y reformularlos en profundidad, especialmente en la banda de sub-terahercios. El presente trabajo proporciona un marco de métodos analíticos para el modelado electromagnético de antenas de parche en microcinta hasta 300 GHz. Las formulaciones del modelo propuesto consideran las imperfecciones geométricas y eléctricas de los materiales utilizados para el diseño de antenas. Estos modelos permiten estimar la respuesta de frecuencia con alta precisión para antenas y líneas de transmisión medidas hasta 110 GHz; y para antenas diseñadas de hasta 300 GHz, con un espesor de hasta el 5 % de la longitud de onda en el vacío, capas de cobre de hasta 35 μm de espesor y con una rugosidad superficial de hasta 1 μm.