Active and passive metasurfaces : methodology for the design of a low profile, beam-steerable, multiband, and wideband antenna - Télécom Paris
Thèse Année : 2022

Active and passive metasurfaces : methodology for the design of a low profile, beam-steerable, multiband, and wideband antenna

Métasurfaces actives et passives : méthodologie pour la conception d'une antenne à faible encombrement, multibande et large bande, avec dépointage du faisceau

Résumé

Metasurfaces are artificial engineered materials that can be combined with traditional microwave components in ground-breaking solutions. The research on the use of metasurfaces in the roles of antenna reflector and/or superstrate considerably increased mainly from the beginning of the 2020s, because of their innovative functionalities in line with the ultimate Telecommunication trends. In this thesis, methodologies for the use of passive and active metasurfaces in the design of antennas are presented. A first methodology which exploits both the near-perfect electric conductor (PEC) and near-perfect magnetic conductor (PMC) behaviors of a dual-band artificial magnetic conductor (AMC) is used to design a low-profile, multiband, directive antenna. This methodology is validated with a prototype suitable for the European standards of 4G/5G and Wi-Fi 2.4/5/6E, operating within the following bands: 2.40–2.70 GHz, 3.40–3.80 GHz, 5.17–5.83 GHz, and 5.93–6.45 GHz. Additionally, a methodology to handle the Fabry-Pérot mechanism in an antenna composed of a grooved rounded-edge bow-tie, a passive dual-band AMC, and an active multiband Huygens metasurface is presented. This methodology is validated with the design of a multiband, directive, low-profile, antenna that performs an independent beam-steering in only one of the operating frequency bands. Through the controlling of the bias voltages over four columns of varactors in the reconfigurable, multiband Huygens metasurface, the beam may be dynamically steered in ±51°, in a continuous manner, in a frequency range lying inside the European 5G frequency range (from 3.50 to 3.65 GHz. All at once, the radiation patterns concerning the 4G and Wi-Fi 2.4/5/6E keep practically unaffected.
Les métasurfaces sont des matériaux artificiels qui peuvent être combinés avec des éléments micro-ondes traditionnels dans des solutions révolutionnaires. Les recherches sur l'utilisation des métasurfaces dans les rôles de réflecteur et/ou de superstrat d'antenne se sont considérablement intensifiées à partir du début des années 2020, en raison de leurs fonctionnalités innovantes alignées avec les dernières tendances en Télécommunications. Dans cette thèse, des méthodologies pour l'utilisation de métasurfaces passives et actives dans la conception d'antennes sont présentées. Une première méthodologie qui exploite à la fois les comportements proches du conducteur électrique parfait (CEP) et du conducteur magnétique parfait (CMP) d'un conducteur magnétique artificiel (CMA) bi-bande est utilisée pour concevoir une antenne directive multibande à faible encombrement. Cette méthodologie est validée avec un prototype pour les normes européennes 4G/5G et Wi-Fi 2.4/5/6E, fonctionnant dans les bandes suivantes : 2.40–2.70 GHz, 3.40–3.80 GHz, 5.17–5.83 GHz, and 5.93–6.45 GHz. De plus, une méthodologie pour gérer le mécanisme Fabry-Pérot dans une antenne composée d'une bow-tie avec les bords arrondis rainurés, d'un AMC passif bi-bande et d'une métasurface Huygens active multibande est présentée. Cette méthodologie est validée avec la conception d'une antenne multibande, directive, à faible encombrement qui effectue un dépointage du faisceau indépendant dans une des bandes de fréquences de fonctionnement. Grâce au contrôle des tensions de polarisation sur quatre colonnes de varactors dans la métasurface reconfigurable et multibande de Huygens, le faisceau peut être dynamiquement dépointé à ±51°, de manière continue, dans une gamme de fréquences comprise dans la gamme de fréquences 5G européenne (de 3.50 to 3.65 GHz). En même temps, les diagrammes de rayonnement concernant la 4G et le Wi-Fi 2.4/5/6E restent pratiquement inchangés.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-04423550 , version 1 (29-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04423550 , version 1

Citer

Rafael Gonçalves Licursi de Mello. Active and passive metasurfaces : methodology for the design of a low profile, beam-steerable, multiband, and wideband antenna. Electromagnetism. Institut polytechnique de Paris, 2022. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04423550⟩
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