[en] Millimeter-wave systems introduce a set of particular severe requirements from the antenna point of view in order to achieve specific performances. In this sense, high directive antennas are required to overcome the huge extra path loss. Moreover, each particular application introduces additional requirements. For example, in very high throughput (VHT) wireless personal area networks (WPANs) communication systems at 60 GHz band beam-steering antennas are needed to deal with high user random mobility and human-body shadowing characteristic of indoor environments. Similarly, beam-steering capabilities are also needed in automotive radar applications at 79 GHz, since the determination of the exact position of an object is essential for most of the functions realized by the radar sensor. In the same way, beam-scanning, which is still commonly mechanically performed nowadays, is also needed in passive imaging systems at 94 GHz. Finally, from the integration perspective, the antennas must be small, low-profile, light weight and low-cost, in order to be successfully integrated in a commercial millimeter-wave wireless system. For these reasons, many types of antenna structures have been considered to achieve high directivity and beam-steering capabilities for the aforementioned millimeter-wave communication, radar and imaging applications at 60, 79 and 94 GHz. The most part of the currently adopted solutions are based on the expensive, complex and bulky phased-array antena concept. Actually, phased-array antenna systems can scan the beam at a fast rate. However, they require a complex integration of many expensive, lossy and bulky circuits, such as solid-state phase shifters and beam-forming networks. This doctoral thesis has contributed to the study, development, and assessment of the performance of innovative antena solutions in order to improve the existing architectures at millimeter-wave frequencies, conveniently solving the problems related specifically to short-range high data rate communication systems at 60 GHz WPAN band (including future 5G millimeter-wave systems), automotive radar sensors at 79 GHz band, and communications, radar, and imaging systems at 94 GHz. The specific goals pursued in this work, focused on defining an alternative antenna architecture able to achieve a full reconfigurable 2-D beam-scanning of high gain radiation beams at millimeter-wave frequencies, has been fulfilled. In this sense, this thesis has been mainly devoted to study in depth and practically develop the fundamental part of an innovative switched-beam antenna array concept: novel inhomogeneous gradient-index dielectric flat lenses, which, despite their planar antenna profile configurations, allow full 2-D beam-scanning of high gain radiation beams. A transversal study, going from theoretical investigations, passing by numerical analysis, new fabrication strategies, performance evaluation, and to full experimental assessment of the new antenna architectures in real application environment has been successfully carried out.

[es] Los sistemas a frecuencias de ondas milimétricas introducen una serie de requisitos muy estrictos desde el punto de vista de la antena con el objetivo de conseguir unos rendimientos específicos. En este sentido, se requieren antenas con una muy alta directividad con tal de conseguir superar las enormes pérdidas adicionales por propagación. Además, cada aplicación en concreto introduce unos requisitos adicionales. Por ejemplo, en redes de área personal de alta velocidad para sistemas de comunicación a la banda de 60 GHz, antenas con la capacidad de reconfiguración del haz de radiación son necesarias para poder tratar la problemática de la alta movilidad de los usuarios en entornos cerrados. De la misma forma, capacidades de reconfiguración de la orientación del haz de radiación son necesarias en aplicaciones relacionadas con radar de automoción a 79 GHz, dado que la determinación de la posición exacta de un objeto es esencial para muchas de las funciones del sensor de radar. De forma muy similar, la capacidad de apuntamiento del haz, que muchas veces todavía se realiza mediante sistemas mecánicos, es también imprescindible en sistemas de escaneo para aplicaciones biomédicas y de seguridad a 94 GHz. Finalmente, desde la perspectiva de la integración, las antenas deben ser eléctricamente pequeñas, ligeras, y económicas para poder ser incorporadas a un sistema inalámbrico comercial a frecuencias de onda milimétricas. Por todos estos motivos, diferentes tipos de estructuras de antenas han sido propuestos para conseguir alta directividad, junto con capacidades de reconfiguración y apuntamiento del haz de radiación para las aplicaciones anteriormente mencionadas y descritas en la banda de 60, 79, y 94 GHz. La solución tradicionalmente adoptada en este tipo de casos està estrictamente basada en el siempre caro, complejo y aparatoso concepto del phased-array. De hecho, los phased-arrays permiten el rápido escaneo de haces de radiación de alta directividad. Sin embargo, el hecho que requieran una compleja integración de muchos y caros componentes a alta frecuencia, tales como desfasadores de estado sólido o redes de conformación, los cuales introducen ciertos niveles de pérdidas, siendo además aparatosos, hacen que esta solución resulte inviable. La presente tesis doctoral contribuye al estudio, desarrollo, y ensayo experimental del rendimiento de soluciones de antenas innovadoras para la mejora de las existentes arquitecturas de antena en la banda frecuencial de las ondas milimétricas, convenientemente solucionando los problemas asociados específicamente a los sistemas de comunicación de corto alcance y alta velocidad a 60 GHz (incluyendo los futuros sistemas 5G a milimétricas), a los sistemas de radar de automoción a 79 GHz, y a los sistemas de comunicación, radar, y escaneo para aplicaciones a 94 GHz. Los objetivos específicos perseguidos en este trabajo académico, focalizados en definir una arquitectura alternativa de antena, capaz de conseguir una completa reconfiguración y escaneo de los haces de radiación en dos dimensiones del espacio a frecuencias de onda milimétricas, se han conseguido plenamente. En este sentido, esta tesis doctoral ha sido dedicada esencialmente al estudio en profundidad y desarrollo práctico de la parte fundamental del innovador concepto del switchedbeam array: nuevas lentes dieléctricas inhomogéneas de gradiente de índice con estructura plana, las cuales, a pesar de su configuración física totalmente llana, permiten una reconfiguración total, en dos dimensiones del espacio, de haces de radiación de alta directividad. Un estudio eminentemente transversal, que abarca desde la investigación teórica, pasando por el análisis numérico, nuevas metodologías y técnicas de fabricación, evaluación de rendimientos, hasta una completa caracterización y ensayo del rendimiento en entornos reales de aplicación de las nuevas arquitecturas de antena, se ha llevado a cabo con total éxito.