Asynchronous chiplets for reconfigurable metasurfaces

Abstract

Τα μεταϋλικά είναι τεχνητές κατασκευές που επιτρέπουν αφύσικες ηλεκτρομαγνητικές λειτουργίες, εξαιτίας της ικανότητάς τους να επεξεργάζονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Οι μεταεπιφάνειες είναι οι δισδιάστατες εκδόσεις μεταϋλικών, οι οποίες μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να επιτρέπουν προγραμματιζόμενες ρυθμίσεις των ηλεκτρομαγνητικών τους ιδιοτήτων. Ωστόσο, τα συστήματα μεταϋλικών και μεταεπιφανειών που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα, είναι προσαρμοσμένα μόνο για συγκεκριμένες εφαρμογές, σε προεπιλεγμένες συχνότητες και με περιορισμένο εύρος συντονισμού.

Η παρούσα διατριβή αφορά τη σχεδίαση και την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που επιτρέπουν τον προγραμματισμό συστημάτων μεταεπιφανειών. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν τη δυνατότητα να δημιουργήσουν προσαρμοζόμενη συμπεριφορά μεταεπιφανειών μέσω λογισμικού, μειώνοντας σημαντικά τόσο την κατανάλωση ενέργειας όσο και την καθυστέρηση αναδιαμόρφωσης ενός τέτοιου συστήματος. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν τη δυνατότητα να ενσωματώνονται σε κάθε στοιχείο υπομήκους κύματος, επιτρέποντας έτσι τον πλήρη έλεγχο της πολύπλοκης επιφανειακής εμπέδησης, χρησιμοποιώντας ενσωματωμένα κυκλωματικά στοιχεία. Αυτό επιτρέπει τη χωρική διαμόρφωση τόσο της φάσης όσο και του πλάτους του συντελεστή τοπικής ανάκλασης και επιτρέπει τη μέγιστη ευελιξία στις πραγματοποιήσιμες λειτουργίες. Επιπλέον, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα προσδίδουν ευφυΐα στο σύστημα, ενσωματώνοντας έξυπνους αλγόριθμους δρομολόγησης και τοπολογίες δικτύου, οι οποίες μπορούν να προγραμματιστούν μέσω ενός φιλικού προς το χρήστη λογισμικό, για να επιτρέπουν τη λειτουργία από άτομα μη εξοικειωμένα με τις τεχνικές πτυχές του συστήματος. Οι αλγόριθμοι είναι σχεδιασμένοι με ασύγχρονα ψηφιακά κυκλώματα, τα οποία παρέχουν μεγάλη επεκτασιμότητα και δυνατότητες δικτύωσης, συνδιάζοντας χαμηλές ηλεκτρομαγνητικές εκπομπές και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Τα προγραμματιζόμενα μεταϋλικά που ενεργοποιούνται από ολοκληρωμένα κυκλώματα μπορούν να ενσωματωθούν σε μελλοντικά συστήματα επικοινωνιών καθώς και να τοποθετηθούν σε τρέχοντα συστήματα τόσο σε εσωτερικό όσο και σε εξωτερικό περιβάλλον.

Metamaterials are engineered structures that enable unnatural electromagnetic functionalities, with their ability to manipulate electromagnetic waves. Metasurfaces are the two-dimensional versions of metamaterials, which can be tuned or programmed to enable programmable adjustments of their electromagnetic properties. However, the metamaterial and metasurface systems developed to-date, are tailored only for a single, or multiple at best, applications, at specific frequencies and with limited tuning range.

This thesis concerns the design and manufacture of a new class of ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) that enable the programmability of metasurface systems. The ASICs have the potential to create adaptive behaviour of metasurfaces through software, as well as improving both the power consumption and the reconfiguration delay of programmable metasurfaces. The ASICs can be incorporated in each sub-wavelength spaced meta-atom to allow full control over a complex surface impedance, using integrated loading element circuitry. This allows for spatial shaping of both the phase and amplitude of the local reflection coefficient and allows maximum versatility in the realisable functionalities. Furthermore, the ASICs infuse intelligence and fault tolerance in the system, by incorporating smart routing algorithms and network topologies, all of which can be programmed via a user-friendly software interface. The chip-to-chip communications and routing algorithms are designed using asynchronous digital circuitry, in order to exploit advantages such as plug-and-play scalability, along with low electromagnetic emissions and low power consumption. Programmable metamaterials enabled by ASICs can be incorporated into future communication systems as well as retrofitted into current systems in both indoor and outdoor environments.