Graphene antenna design for terahertz sensing and communications

The increasing demand for much higher speed wireless communication of the last few years, calls for advanced physical layer solutions and new spectral band. So, the operating frequency of the communication systems is extended to the millimeter/sub-millimeter wave region of the electromagnetic spectrum and the THz band becomes the key of the wireless technology. In this context, developments of new transceiver architectures that are able to operate at THz band frequencies and to exploit the very large available bandwidth are necessary. One of the most recent alternatives to develop THz band compact devices is based on the use of graphene. Graphene has recently attracted the attention of the research community due to its novel properties and it is considered the wonder material of the 21st century. Thanks to its monoatomic thickness, graphene can be modeled as an infinitely thin surface of complex conductivity whose behaviour depends on the electro-chemical potential: this feature allows to realize reconfigurable devices where the unique tunable parameter is represented by the electro-chemical potential. The purpose of this thesis is to present some applications based on the use of graphene. Graphene structures such as the Frequency Selective Surface or the Split Ring Resonator allow to realize beam or bandwidth reconfigurable antenna; implemented in the High Impedance Surface, allows to realize a phase shifter. Graphene-based antennas have some distinctive properties suitable for THz communications systems such as smaller size and the property of tunable effective surface conductivity for control the beam pattern.

Negli ultimi decenni la crescente domanda di sistemi di comunicazioni wireless con più elevata velocità ha portato alla nascita di soluzioni di livello fisico avanzato e all'utilizzo di nuove bande spettrali. Così la banda di funzionamento dei nuovi sistemi wireless si estende fino alla regione delle onde millimetriche e submillimetriche e la banda dei THz diventa la chiave dei nuovi sistemi di comunicazione wireless. In questo contesto è necessario sviluppare nuove architetture in grado di funzionare nella banda dei THz e di sfruttare la larghezza di banda. Una delle più recenti alternative per sviluppare dispositivi compatti nella banda dei THz consiste nell'uso del graphene. Il graphene ha recentemente attratto l'attenzione di molti studiosi grazie alle sue particolari caratteristiche ed è considerato uno dei materiali più promettenti del ventunesimo secolo. Grazie al suo spessore monoatomico, il graphene può essere modellizzato come una superficie infinitamente sottile di conducibilità complessa il cui comportamento dipende dal potenziale elettrochimico: questa caratteristica permette di realizzare dispositivi riconfigurabili dove il parametro utilizzato è il potenziale elettrochimico. Lo scopo di questa tesi è quello di presentare alcune applicazioni basate sull'uso di graphene. Graphene Frequency Selective Surfce o Split Ring Resonator permettono di realizzare antenne riconfigurabili in banda; variazioni di fase possono essere ottenute quando il graphene viene implementato in strutture come High Impedance Surface.