31001

طراحي و ‌‌ساخت فراسطح‌هاي هويگنس دو بعدي جهت ‌‌شكل‌دهي الگوي تشعشعي آنتن

دكتري

مهندسي برق - مخابرات - ميدان و موج

1396

1403/01/26

نادر كمجاني

بدون مشاور

مهندسي برق

در اين رساله، روند طراحي فراسطح‌هاي هويگنس همسانگرد و ناهمسانگرد براي ساختارهاي دو بعدي تحريك شده توسط منابع واقعي در هر دو مود انتقالي و انعكاسي بررسي شده و راهكار مناسب ارائه گرديده است. مطابق روند طراحي فراسطح‌هاي هويگنس يك بعدي، اولين و مهمترين گام طراحي بدست آوردن توزيع پارامترهاي سطحي معادل اين فراسطح‌ها ‌‌مي‌باشد. در اينجا، روابط مورد نياز براي محاسبه اين پارامترهاي معادل براي فراسطح هويگنس همسانگرد در دو حالت قرارگيري فراسطح در ناحيه ميدان نزديك و ناحيه ميدان دور منبع تحريك، بدست آورده شد‌ه‌اند. براي اين كار، در گام اول امواج كروي برحسب امواج صفحه‌اي در حوزه طيف بسط داده شد‌ه‌اند و سپس با اعمال شرايط گذار لايه تعميم يافته و استفاده از دو شرط بقاي توان محلي و تساوي‌سازي امپدانس محلي، پارامترهاي معادل مورد نياز بدست آورده شد‌ه‌اند. روابط بدست آمده در كاربردهاي عملي متعددي ‌‌مي‌توانند سودمند باشند. در اين رساله، به كمك روش و روابط ارائه شده، يك فراسطح دو بعدي هويگنس براي كنترل پترن آنتن شيپوري طراحي گرديده است و در مرحله بعد جهت بهبود بازدهي آنتن‌هاي آرايه انتقالي فراسطح مناسب ديگري طراحي شده است. هم چنين، علاوه بر ‌‌شبيه‌سازي اين ساختارها، براي اثبات درستي نتايج، فراسطح‌هاي طراحي شده بطور فيزيكي تحقق داده شده و مجموعه آنتن‌ها به طور عملي و در اتاق آنتن تست شد‌ه‌اند. نتايج ‌‌شبيه‌سازي و اندازه‌گيري نشان ‌‌مي‌دهد كه هر دو ساختار بازدهي بهتري نسبت به ساير كارهاي صورت گرفته در اين زمينه‌ها، ارائه ‌‌مي‌دهند. علاوه بر اين، توزيع پارامترهاي سطحي معادل فراسطح‌هاي هويگنس ناهمسانگرد دوبعدي بدست آمده است كه براساس آن ‌‌مي‌توان هر نوع تبديل پلاريزاسيون دلخواه كه قابليت تحقق توسط ساختارهاي ناهمسانگرد را دارد، ايجاد كرد. يك سلول واحد سيم / حلقه جديد براي تحقق اين نوع فراسطح‌ها براي نخستين بار در اين رساله معرفي شده است. با استفاده از اين روش و سلول واحد، يك آرايه انتقالي LP به CP طراحي و ‌‌شبيه‌سازي شده است كه نتايج ‌‌شبيه‌سازي درستي اين تبديل را با ارائه بازدهي خوب نشان ‌‌مي‌دهد. در انتها فراسطح‌هاي هويگنس دو بعدي در مود انعكاسي توسعه داده شد‌ه‌اند. براي اين منظور از روندي متفاوت با مود انتقالي آن و براساس تئوري فلوكه استفاده شده است. با تنظيم فاصله پريودها به درستي و انتخاب تعداد و ابعاد المان‌هاي قرار گرفته در هر پريود ‌‌مي‌توان يك پرتو تشعشعي انعكاسي در جهت مطلوب با بازدهي تقريبا كامل ايجاد كرد. سپس از اين روش براي طراحي يك آرايه انعكاسي استفاده شده است كه ساختار حاصل داراي پريودهاي متغيير در دو راستاي عرضي ‌‌مي‌باشد. اين ساختار علاوه بر ارائه بازدهي انعكاسي مناسب در جهت مطلوب داراي ويژگي مرور فركانسي پرتو تشعشعي آنتن ‌‌مي‌باشد كه در آرايه‌هاي انعكاسي رايج قابل دستيابي نبود.

1403/04/03

Design and implementation of the two-dimensional Huygens metasurfaces to antenna beam shaping

4/14/2025 12:00:00 AM

In this thesis, the designing steps for two-dimensional isotropic and anisotropic Huygens metasurfaces excited by real sources in both transmission and reflection modes are investigated. After that these designed structures are employed in a practical problem. According to the design process of one-dimensional Huygens metasurfaces, the first and most important design step is to obtain the distribution of surface parameters equivalent to these metasurfaces. Here, the necessary relations to calculate these equivalent parameters for isotropic Huygens metasurface have been obtained. Here, the proposed method is investigated for both cases even one the metasurface is located in the far-field region or near field region of excitation source. For this purpose, in the first step, spherical waves have been expanded in terms of plane waves in the spectrum domain, and then by applying the generalized layer transition conditions and using the two conditions of local power conservation and local impedance equalization, the required equivalent parameters have been obtained. The obtained relationships are useful in many practical applications. In this thesis, with the aid of the presented method, a two-dimensional Huygens metasurface has been designed to control the horn antenna pattern, and in the next step, another suitable metasurface has been designed to improve the efficiency of a transmit-array antenna. Also, to validate the results, the designed metasurfaces have been physically implemented and tested in the antenna chamber. The simulation and measurement results are compared with each other and also with other works which prove both aforementioned designed structures provide better efficiencies in comparison to the other works done in these fields. In addition, the distribution of surface parameters equivalent to two-dimensional anisotropic Huygens meta-surfaces has been obtained. Using this type of metasurface, any desired polarization transformation can be created. The designed metasurface is realized using a novel wire / loop unit cell for the first time in this thesis. Using this method and the suggested unit cell, an LP to CP transmitarray is designed and simulated. The simulation results show the polarization conversion is done properly with a good efficiency. Finally, two-dimensional Huygens meta-surfaces are developed in reflective mode. For this purpose, based on Floquet theory, the necessary designing steps are investigated. By setting the periods correctly and selecting the number and dimensions of the elements placed in each period, a reflective beam can be created in the desired direction with almost perfect efficiency. Then, this method has been used to design a reflectarray, the resulting structure have variable periods in both transversal directions. This structure, in addition to providing a suitable reflective efficiency in the desired direction, has the feature of the frequency scanning of the antenna beam, which could not be achieved using common reflectarrays.

فراسطح هويگنس دوبعدي , بهبود بازدهي آنتن , توزيع پارامترهاي سطحي معادل , بقاي توان محلي , تساوي‌سازي امپدانس محلي

Two-dimensional Huygens hypersurface , antenna efficiency improvement , distribution of equivalent surface parameters , local power conservation , local impedance equalization

iman Derafshi

Nader Komjani