Active Metasurface Designs for Tunable Scattering Properties

Abstract

Gelişen teknolojiler, elektromanyetik dalgaların saçılmasını ve özelliklerini kontrol etmek için, doğal yapıların ötesinde özelliklere sahip yapay olarak tasarlanmış dinamik yüzeylere ihtiyaç duymaktadır. Bu tez, geçirgen bir metayüzey üzerinde oluşturulan yüzey dalgaları aracılığıyla yayılan dalgaların dinamik kontrolü için yeni bir yöntem önererek, bunun karşıt olmayan iletim ve yeniden yapılandırılabilir radyasyon problemlerine uygulanmasını içermektedir. Bu çalışma, faz eşlenik yüzeyler ve bianizotropiye dayalı analitik model için bir tasarım metodolojisi ve çift negatif indeks ortamına dayalı metayüzey kavramını içeren mikrodalga alanındaki üç boyutlu gerçekleştirme modeli önererek literatüre katkıda bulunmaktadır. Tez, ilk olarak sayısal simülasyonlarla desteklenen analitik çözümleri ve ardından pasif ve dinamik üç boyutlu modellerin tasarımları ve simülasyon sonuçlarını sunmaktadır. Empedans tabanlı karakterizasyon hem zaman bağımlı ve hem de zaman bağımsız birim hücre modelleri için uygulanmaktadır. Bunu, elde edilen empedanslar aracılığıyla zamana dayalı eşdeğer devrenin geliştirilmesi ve oluşturulması izlemektedir. Geliştirilen bu eşdeğer devre, zaman modülasyonlu birim hücrenin sayısal çözümünde kullanılmaktadır. Karşıt olmayan iletim için, uyarım yönüne bağlı olarak bianizotropik metayüzey üzerinde üretilen antisimetrik yüzey dalgalarına uygulanan zaman modülasyonuna dayalı yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntemin uygulanabilirliği, değişken bir kapasitör içeren bir yüzey kavitesi ile sınırlanmış geçirgen birim hücre üzerinde gösterilmiştir. Sayısal simülasyon sonuçları zaman modülasyonu yoluyla hem faz uyumlu hem de faz uyumsuz karşıt olmayan iletimi göstermektedir ve bunlar tutarlı deney sonuçlarıyla desteklenmektedir. Son bölümde, yeniden yapılandırılabilir radyasyon uygulamaları için yüzey dalgalarını kullanarak metayüzeyin birim hücrelerindeki faz değişimleri yoluyla dalga cephesi manipülasyonu araştırılmaktadır. Özel olarak, bir korna anten tarafından beslenen metayüzeyden yayılan hüzmenin açısal yönlendirilmesine odaklanılmaktadır. Önerdiğimiz yönteme dayalı yeni bir 3B tasarım modeli tanıtılmaktadır. Bu tasarım ile, kolonları elektriksel olarak ayıran kazınmış yarıklara yerleştirilmiş değişken kapasitörler ile basitleştirilmiş bir kontrol şeması önerilmektedir. Periyodik sınır koşulları altında uyarılmış yüzey modlarını incelemek için numerik özdeğer analizleri, ve ardından hüzme yönlendirme uygulaması için korna antenle entegrasyonunun simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlardan ve kavram kanıtı deneylerinden elde edilen sonuçlar yayılan hüzmenin yönlendirilmesini göstermektedir.

Advancing technologies require artificially designed dynamic surfaces with capabilities beyond the natural ones to control electromagnetic wave scattering and properties for complex applications. This thesis presents a novel method for dynamic control of propagating waves through surface waves and its implementation to nonreciprocal transmission and reconfigurable radiation problems. This study contributes to the literature by proposing a design methodology for the analytical model based on phase-conjugate surfaces and bianisotropy, and its three-dimensional (3D) realization model in the microwave domain involving the metasurface concept based on the double-negative index medium. It begins with analytical solutions supported by numerical simulations, and proceeds with the designs and simulation results of passive and dynamic 3D models. Impedance-based characterization is applied to both time-invariant and time-variant unit cell models. It is followed by developing and constructing the time-domain-based equivalent circuit via the retrieved impedances, which are employed in the numerical solution of the time-modulated unit cell. For nonreciprocal transmission, a novel method was introduced based on time modulation, which is applied to the generated anti-symmetric surface waves on bianisotropic metasurfaces, depending on the excitation direction. This method is demonstrated on the penetrable unit cell bounded by a surface cavity incorporating a variable capacitor. Numerical simulation results show both phase-coherent and phase-incoherent nonreciprocal transmission via time modulation, which is supported by consistent experimental results. The final chapter explores wavefront manipulation through phase variations on unit cells of the metasurface by using surface waves for reconfigurable radiation applications. Specifically, it focuses on steering the radiated beam from the metasurface, fed by a horn antenna. A novel 3D model based on the proposed method is introduced, offering a simplified control scheme with variable capacitors placed on etched slits, which electrically separate columns. A numerical eigenmode analysis is conducted to examine the excited surface modes under periodic boundary conditions, followed by simulations of its integration with a horn antenna for beam-steering applications. The results from both simulations and proof-of-concept experiments demonstrate the steering of the radiated beam.