Innovative technological solutions for microwave and sub-THz passive devices

In modern wireless communication systems, new challenges are always arising. Technology is constantly advancing to follow the needs of the market, that is richer and richer of new communication standards and protocols operating in a variety of frequency ranges. For this reason, passive hardware such as filters and antennas must become more and more efficient, selective and low-cost. Good electromagnetic performance is typically associated with waveguide-based components, thanks to their low losses and high power handling capabilities. However, fabrication of waveguides is traditionally very expensive, due to their bulky size below the Ku band, but also the serial nature of the metal milling process. This is the reason why size reduction and new technologies are crucial steps towards cost saving. In this framework, this dissertation explores various filter synthesis techniques introducing transmission zeros, to increase the selectivity and reduce the number of resonators in waveguide filters, ultimately proposing the first ever realization of a path filter in waveguide technology with a transmission zero also in the direct path. To further reduce the size, we also propose a ceramic-filled waveguide filter realized through additive manufacturing of high-purity alumina. Especially in the field of ceramics, 3D printing can truly represent a breakthrough technology, allowing low-cost rapid prototyping or direct fabrication in small production volumes, as it does not require ad-hoc molds as in traditional ceramic forming processes. Finally, this dissertation also suggests replica molding of polymers as a new technology for large-scale production of sub-THz passive devices based on waveguide. Indeed, traditional metal milling is not recommended due to low product uniformity in the sub THz range, forcing engineers to opt for alternative techniques, such as silicon micromachining or permanent thick resist. These are carried out entirely in a clean room environment, resulting in a relatively high cost. Replica molding, instead, has the same potentialities at a lower cost, allowing virtually endless replication of the same device from a single mold. In this framework, a prototype G-band slotted-waveguide antenna array is designed and realized for future electromagnetic testing.

Nei sistemi di comunicazione moderni, nuove sfide emergono di continuo. La tecnologia avanza costantemente per seguire le esigenze del mercato, che è sempre più ricco di nuovi standard e protocolli di comunicazione operanti in diversi range di frequenze. Per questo motivo, i dispositivi passivi come filtri e antenne devono essere sempre più efficienti, selettivi ed economici. Una buona performance a livello elettromagnetico è tipicamente associata ai componenti in guida, grazie alle loro basse perdite e alte capacità di power handling. Tuttavia, fabbricare le guide è tradizionalmente molto costoso, specialmente sotto la banda Ku, per via delle dimensioni importanti, ma anche per la fabbricazione seriale tramite fresatura del metallo a controllo numerico. Per questo è importante ridurre le dimensioni e identificare nuove tecnologie per raggiungere un risparmio di costi. In questo contesto, questa tesi esplora varie tecniche di sintesi di filtri, che permettono di introdurre zeri di trasmissione nella risposta, aumentando di fatto la selettività e riducendo il numero di risonatori. Il focus è posto sui filtri in guida d’onda, proponendo in ultimo la prima realizzazione di un filtro path in guida con uno zero di trasmissione anche nel percorso diretto. Per ridurre ulteriormente le dimensioni, proponiamo anche un filtro in guida riempito di ceramica, realizzato tramite additive manufacturing di allumina ad alta purezza. Specialmente nel campo delle ceramiche, la stampa 3D può davvero rappresentare una tecnologia di svolta, poiché permetterebbe costi più bassi per una rapida prototipazione o produzione in piccoli volumi, non necessitando di stampi ad-hoc come nei tradizionali processi di forming delle ceramiche. Infine, questa tesi suggerisce anche il replica molding come nuova tecnologia per la produzione su larga scala di dispositivi passivi in guida per la banda sub-THz. Infatti, in questo range la tradizionale fresatura del metallo non è consigliata, per la sua natura seriale e scarsa uniformità di prodotto, portando alla ricerca di tecniche alternative, come micromachining di silicio oppure permanent thick resist. Queste, essendo interamente eseguite in camera bianca, risultano piuttosto costose. Il replica molding, invece, ha le stesse potenzialità ad un costo inferiore, permettendo virtualmente una replicazione infinita dello stesso dispositivo dallo stampo. In questo contesto, un’antenna slotted waveguide per la banda G è stata progettata e realizzata per una prossima analisi elettromagnetica.