Synthesis of Microwave Circuits Based on Metamaterials Using Aggressive Space Mapping Algorithms

Abstract

En l'enginyeria de microones, alguns dels principals reptes són la reducció de la mida dels circuits i la flexibilitat de disseny. Aquests són aspectes clau dels dispositius de comunicacions i, com a resultat, s'han fet molts esforços en aquesta direcció. Un clar exemple són les anomenades línies de transmissió basades en metamaterials. Aquestes línies artificials presenten característiques controlables, són elèctricament petites i ofereixen noves funcionalitats. No obstant això, per la seva complexitat, les línies de transmissió metamaterial en general requereixen d’un procés de disseny feixuc, basant-se en l'experiència dels dissenyadors. En les últimes dècades, s’han desenvolupat diverses tècniques d'optimització basades en mapejat espacial (o SM, del anglès Space Mapping), que combinen la precisió dels simuladors electromagnètics amb la velocitat dels simuladors de circuits. Aquest fet proporciona la capacitat d’automatitzar el procés de disseny i reduir-ne el temps. Per aquesta raó, aquestes tècniques són bones candidates per fer front a problemes complexos com el disseny de les línies de transmissió metamaterial. Per tant, l'objectiu principal del treball recopilat en aquesta tesi és el desenvolupament d'una nova eina per a la síntesi automatitzada d'aquest tipus d'estructures a partir del coneixement dels elements reactius del seu circuit equivalent. Concretament, es tracta de la síntesi automàtica de línies de transmissió carregades amb ressonadors d’anells oberts complementaris (o CSRRs, del anglès Complementary Split Ring Resonators) mitjançant l'ús de la tècnica coneguda com mapejat espacial agressiu (o ASM, del anglès Aggressive Space Mapping). Es proporcionen diferents estratègies per al desenvolupament de l'algorisme ASM i les seves millores, tot incloent una tècnica per determinar si per a un conjunt donat de paràmetres circuitals que compleixin les especificacions, l'estructura pot ser sintetitzada o no, i la reducció del temps de convergència. D'altra banda, l'algorisme ASM s'ha aplicat en el disseny de diversos dispositius de microones, com els filtres de Wi-Fi i divisors de potència de banda dual per aplicacions GSM, entre d’altres.

In microwave engineering some of the main challenges are size reduction and design flexibility. These are key aspects in communication devices and, as a result, many efforts have been made in this direction. A clear example of that are the so-called transmission lines based on metamaterials. Such artificial lines exhibit controllable characteristics, are electrically small and provide new functionalities. However, due to their complexity, metamaterial transmission lines usually require a cumbersome design process, based on the experience of the designers. In last decades, several optimization techniques based on Space Mapping (SM), which combine the accuracy of the electromagnetic simulators with the speed of circuit simulators, have been reported. This reduces design time and provides the ability to automate the design process. For this reason, these techniques are good candidates to deal with complex problems such as the design of metamaterial transmission lines. Thus, the main objective of the work compiled in this thesis is to develop a new tool for the automated synthesis of such structures from the knowledge of the reactive elements of its equivalent circuit. Specifically, it deals with the automatic synthesis of transmission lines loaded with Complementary Split Ring Resonators (CSRRs) by using the technique known as Aggressive Space Mapping (ASM). Different strategies for the development of the ASM algorithm and its improvements are provided, including a technique to determine whether for a given set of circuit parameters that meet specifications the structure can be synthesized or not, and the reduction of the convergence time. Moreover, the ASM algorithm has been applied to the design of several microwave devices, such as Wi-Fi filters and dual-band power dividers for GSM applications, among others.