Analysis and design of metasurface antennas for simultaneous beamforming in transmission and reflection
Analyse et conception d'antennes à métasurface pour formation simultanée de faisceaux en transmission et en réflexion
Résumé
Electromagnetic metasurfaces have recently emerged as a promising technology for realizing antennas with unprecedented performance and functionality. In general, a metasurface is an electrically thin array of scattering elements much smaller in size than the wavelength. This offers the possibility of extremely precise control of the aperture fields and, by virtue of the Huygens principle, the characteristics of the waves reflected and transmitted by the metasurface when illuminated by a specific incident field. Lately, a novel application emerged under the name of STAR-RIS (Simoultaneous Transmission and Reflection Reconfigurable Intelligent surface) capable of gratily enhance the signal coverage in the enviroment. This thesis aims to provide a mathematical framework for the analysis and design of metasurfaces for STAR-RIS or TRA (Transmit-Reflect Array). The antenna system comprises of a primary source and a metal lens realized with a simple stack of metal layers. The metal lens is modeled as an equivalent bianisotropic medium, exhibiting coupled responses to electric and magnetic fields. Specific synthesis procedures based on analytical modelling of the metasurface have been developed to obtain a perfect repartition condition between the two beams transmitted and reflected from the incident field of the primary source. The design procedures make it possible to avoid the use of cut-throat optimization methods in terms of resources and computation time. These tools are then used to design demonstrators operating in the microwave regime. Multiple demonstrators have been built using low-cost manufacturing processes such as printed circuit boards and additive manufacturing, and experimentally characterized in an anechoic chamber.
Les métasurfaces électromagnétiques sont apparues récemment comme une technologie prometteuse pour la réalisation d'antennes aux performances et fonctionnalités sans précédent. En général, une métasurface est un réseau électriquement fin d'éléments de diffusion dont la taille est beaucoup plus petite que la longueur d'onde. Cela permet un contrôle extrêmement précis des champs d'ouverture et, en vertu du principe de Huygens, des caractéristiques des ondes réfléchies et transmises par la métasurface lorsqu'elle est éclairée par un champ incident spécifique.Récemment, une nouvelle application a émergé sous le nom de STAR-RIS (Simoultaneous Transmission and Reflection Reconfigurable Intelligent surface) capable d'améliorer gracieusement la couverture du signal dans l'environnement. Cette thèse vise à fournir un cadre mathématique pour l'analyse et la conception de métasurfaces pour STAR-RIS ou TRA (Transmit-Reflect Array). Le système d'antenne comprend une source primaire et une lentille métallique réalisée avec un simple empilement de couches métalliques. La lentille métallique est modélisée comme un milieu bianisotrope équivalent, présentant des réponses couplées aux champs électriques et magnétiques. Des procédures de synthèse spécifiques basées sur la modélisation analytique de la métasurface ont été développées pour obtenir une condition de répartition parfaite entre les deux faisceaux transmis et réfléchis par le champ incident de la source primaire. Les procédures de conception permettent d'éviter l'utilisation de méthodes d'optimisation trop gourmandes en ressources et en temps de calcul. Ces outils sont ensuite utilisés pour concevoir des démonstrateurs fonctionnant dans le régime des micro-ondes. Plusieurs démonstrateurs ont été construits en utilisant des procédés de fabrication à faible coût tels que les circuits imprimés et la fabrication additive, et caractérisés expérimentalement dans une chambre anéchoïque.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
---|