ETD

• metasurface, FSS, mm-wave, leaky-wave antenna

THIS doctoral dissertation focuses on millimeter-wave (mm-wave) devices based on metasurfaces and frequency selective surfaces (FSSs). The work is organized around three main categories of devices: wideband electromagnetic (EM) absorbers, leaky-wave antennas (LWAs), and wireless pressure sensors.
In the first part, resistive surfaces of tantalum nitride (TaN) are employed to design wideband mm-wave absorbers operating in the E- and D-band frequency ranges. These absorbers are ultrathin, low-profile and utilize an air-cavity-free topology. They are analyzed using an equivalent circuit model (ECM) and fabricated on high-permittivity alumina substrates through thin-film technology. The targeted application of these absorbers is their integration between the transmitter (Tx) and receiver (Rx) in system-in package (SiP) modules to enhance isolation.
The second part of this dissertation addresses the design and fabrication of LWAs, presented in two configurations: a narrowband LWA for the E-band spectrum operating at 73.5 GHz and a wideband LWA for the X-band spectrum. The narrowband LWA is realized on an ITERA MT-40 dielectric substrate using a periodic array of grids that function as partially reflective surfaces (PRSs) in the top layer. Unlike conventional LWAs that rely on air-cavity-based configurations, which complicate their integration with planar systems and printed circuit boards (PCBs), the proposed design is more compact and integration-friendly. The wideband LWA utilizes two pairs of complementary partially reflective surfaces (CPRSs) to generate a positive phase gradient for bandwidth enhancement. The antenna features a compact geometry supported by a polylactic acid (PLA) cavity, which provides structural rigidity and compactness, making it suitable for practical applications compared to conventional air-cavity-based LWAs. The structure is fabricated through a novel hybrid process that combines fiber laser technology with 3D printing.
The final part of this dissertation introduces passive wireless pressure sensors fabricated using a simple, rapid, and cost-effective fiber-laser machining technique. Two sensor configurations are presented: the first employs narrowband absorbers based on patch and cross geometries, while the second utilizes an anisotropic polarization converting metasurface (PCM) composed of periodic dipole resonators. Both sensors operate on the principle of air-gap modulation, where variations in the gap alter the system capacitance and consequently shift the resonance frequency.

QUESTA tesi di dottorato è incentrata sulla progettazione e lo sviluppo di dispositivi operanti nella banda millimetrica (mm-wave), basati su metasuperfici e superfici selettive in frequenza (FSS). Il lavoro è articolato in tre principali categorie di dispositivi: assorbitori elettromagnetici (EM) a banda larga, antenne a onde fuggenti (LWA) e sensori di pressione wireless.
Nella prima parte, superfici resistive realizzate in nitruro di tantalio (TaN) sono impiegate per progettare assorbitori mm-wave a banda larga operanti nelle bande E e D. Tali assorbitori, ultrasottili e a basso profilo, adottano una configurazione priva di cavità d’aria. La loro analisi è condotta mediante un modello a circuito equivalente (ECM) e la fabbricazione avviene su substrati di allumina ad alta permittività utilizzando tecniche di film sottile. L’applicazione principale di questi assorbitori è l’integrazione tra trasmettitore (Tx) e ricevitore (Rx) all’interno di moduli system-in-package (SiP), al fine di migliorare l’isolamento.
La seconda parte della tesi tratta la progettazione e la fabbricazione di antenne LWA, presentate in due configurazioni: una LWA a banda stretta per la banda E, operante a 73,5 GHz, e una LWA a banda larga per la banda X. La LWA a banda stretta è realizzata su un substrato dielettrico ITERA MT-40 mediante un array periodico di griglie che funge da superficie parzialmente riflettente (PRS) nello strato superiore. A differenza delle LWA convenzionali basate su cavità d’aria, che rendono complessa l’integrazione con sistemi planari e circuiti stampati (PCB), il design proposto risulta più compatto e facilmente integrabile. La LWA a banda larga utilizza due coppie di superfici parzialmente riflettenti complementari (CPRS) per generare un gradiente di fase positivo, migliorando così l’ampiezza di banda. L’antenna presenta una geometria compatta supportata da una cavità in acido polilattico (PLA), che conferisce rigidità strutturale e compattezza, rendendola più idonea ad applicazioni pratiche rispetto alle tradizionali LWA basate su cavità d’aria. La struttura è fabbricata mediante un innovativo processo ibrido che combina tecnologia laser a fibra e stampa 3D.
L’ultima parte della tesi introduce sensori di pressione wireless passivi, realizzati tramite una tecnica di lavorazione laser a fibra semplice, rapida ed economica. Sono presentate due configurazioni di sensori: la prima utilizza assorbitori a banda stretta basati su geometrie a patch e a croce, mentre la seconda si basa su una metasuperficie anisotropa per la conversione di polarizzazione (PCM) composta da risonatori dipolari periodici. Entrambi i sensori operano sul principio della modulazione del gap d’aria, in cui le variazioni del distanziamento modificano la capacità del sistema e provocano conseguenti spostamenti della frequenza di risonanza.