Contribution to the design of 3D-printed dielectric polarizers and lens antennas for millimeter-wave radio frequency applications

Abstract

The development of advanced communication technologies is a key pillar in the evolution of the digital society. Applications such as satellite communications, radar technology, and 5G/6G mobile networks exemplify this progress, with increasingly demanding performance requirements. In many of these systems, precise control of the polarization of electromagnetic waves is essential. In this context, circular polarization offers an ideal solution due to its immunity to misalignments between transmitting and receiving antennas, as well as its robustness against multipath propagation and adverse weather conditions. Designing radiating systems capable of generating circular polarization efficiently and in a controlled manner is therefore a priority objective in electromagnetic engineering. Traditionally, circular polarization has been generated directly within the antenna, which can limit design flexibility and complicate manufacturing. This thesis explores an emerging research approach that externalizes circular polarization generation through the use of passive dielectric polarizers that convert linear to circular polarization. These polarizers can operate as standalone elements coupled to existing feeder antennas, or be integrated into more complex systems such as lens antennas. Manufactured as a single piece using additive manufacturing, these polarizers offer a low-cost and easily integrable solution. Several polarizer configurations have been proposed throughout this work. On one hand, flat structures composed of dielectric slabs have been designed and optimized to operate under normal incidence with quasi-TEM waves. On the other hand, conformal polarizers have been developed to match the geometry of the wavefront radiated by the antenna, enabling efficient conversion in systems with spherical or cylindrical wavefronts, or in array-type configurations. Additionally, integration with lens antennas has been addressed, resulting in monolithic 3D-printed systems that combine high gain, circular polarization, and a simplified manufacturing process. The methodology employed combines electromagnetic simulation, optimization, 3D printing, and experimental characterization. Prototype validation has demonstrated the technical feasibility of the proposed devices, achieving strong agreement between simulations and measurements, with polarization conversion efficiencies and bandwidths meeting the requirements of the aforementioned applications. In summary, this doctoral thesis contributes to the development of passive polarizers based on dielectric slabs. Various configurations have been analyzed, ranging from flat geometries to conformal solutions adapted to the wavefront, as well as their integration into lens antennas to form compact, high-gain, circularly polarized systems. Externalizing circular polarization generation not only simplifies the design of the feeder antenna, but also enables new possibilities for modular integration. Moreover, the use of additive manufacturing provides a competitive advantage in terms of cost, customization, and development time, positioning the results as a solid basis for future industrial applications. RESUMEN El desarrollo de tecnologías de comunicación avanzadas constituye un pilar clave en la evolución de la sociedad digital. Aplicaciones como las comunicaciones por satélite, la tecnología radar o las redes móviles 5G y 6G representan ejemplos significativos de este progreso, en los que se demandan prestaciones cada vez más exigentes. En muchos de estos sistemas, el control preciso de la polarización de las ondas electromagnéticas es un requisito esencial. En este contexto, la polarización circular es una solución idónea en estos sistemas por su inmunidad a posibles desalineamientos entre las antenas transmisora y receptora, además de por su robustez frente al multitrayecto o a condiciones climatológicas adversas. El diseño de sistemas radiantes capaces de generar polarización circular de manera eficiente y controlada es, por tanto, un objetivo prioritario en ingeniería electromagnética. Tradicionalmente, dicha generación de polarización circular se ha abordado directamente en la antena, lo que puede limitar los grados de libertad en su diseño, además de complicar su fabricación. Frente a esto, esta tesis se enmarca en una línea de investigación emergente que propone externalizar la función de generación de polarización circular mediante el uso de polarizadores dieléctricos pasivos capaces de convertir polarización lineal en circular. Estos polarizadores son aptos para operar como elementos autónomos acoplados a una antena alimentadora ya existente, así como integrados en sistemas más complejos, como son las antenas de lente. Fabricados en una sola pieza mediante manufactura aditiva, este tipo de polarizadores ofrecen una solución de bajo coste y fácilmente integrable. Durante el desarrollo de la tesis se han propuesto diversas configuraciones de polarizador. Por un lado, se han diseñado estructuras planas formadas por barras dieléctricas optimizadas para operar con ondas quasi-TEM incidentes de forma normal. Por otro, se han desarrollado polarizadores conformados, adaptados a la geometría del frente de onda radiado por la antena, lo que permite una conversión eficiente en sistemas con frentes esféricos, cilíndricos o en configuraciones tipo array. Asimismo, se ha abordado la integración de los polarizadores con antenas de lente, dando lugar a sistemas monolíticos impresos en 3D que combinan alta ganancia, polarización circular y un proceso de fabricación simplificado. La metodología adoptada ha combinado simulación electromagnética, optimización, impresión 3D y caracterización experimental. La validación de prototipos ha permitido demostrar la viabilidad técnica de los dispositivos propuestos, logrando una alta correspondencia entre simulaciones y medidas, con eficiencias de conversión de polarización y anchos de banda acordes a los requisitos de las múltiples aplicaciones mencionadas. En resumen, esta tesis doctoral contribuye al desarrollo de polarizadores pasivos basados en barras dieléctricas. A lo largo del trabajo se han analizado distintas configuraciones, desde polarizadores con geometría plana hasta soluciones conformadas adaptadas al frente de onda, así como su integración en antenas de lente para conformar sistemas compactos, de alta ganancia y con polarización circular. La externalización de la generación de polarización circular no solo simplifica el diseño de la antena alimentadora, sino que habilita nuevas posibilidades de integración modular. Además, el uso de manufactura aditiva proporciona una ventaja competitiva en coste, personalización y tiempos de desarrollo, posicionando los resultados obtenidos como base sólida para futuras aplicaciones industriales.