Metasurfaces enabled by application-specific integrated circuits

Abstract

Τα μεταϋλικά είναι συνθετικά ή τεχνητά υλικά, τα οποία παρουσίασαν ιδιότητες που δεν μπορούν να αναπαραχθούν από συμβατικά υλικά. Αυτά τα υλικά αποτελούνται από δομές πολύ μικρότερες από το μήκος κύματος, οι οποίες ονομάζονται μοναδιαίες κυψέλες και διατεταγμένες στο τρισδιάστατο χώρο. Αυτές οι δομές είναι ιδικά σχεδιασμένες ώστε να μπορούν να αλλάζουν τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες τους δηλαδή, την ηλεκτρική επιτρεπτότητα και την μαγνητική διαπερατότητα του υλικού. Μια υποκατηγορία αυτόν τον μεταϋλικών είναι οι μεταεπιφάνειες, οι οποίες είναι παροιμία σχεδιασμένες όπως τα μετα-ϋλικά με μοναδιαίες κυψέλες, αλλά αντίθετος με τα μεταϋλικά οι μοναδιαίες κυξελες είναι περιοδικά διατεταγμένες σε ένα επίπεδο, σε ένα δισδιάστατο πλέγμα. ΄Οπως τα μεταϋλικά, αυτές οι επιφάνειες επιδείξαν ικανότητες που δεν μπορούν να αναπαραχθούν από κανένα φυσικό υλικό. Αυτές οι ικανότητες τους επιτρέπουν να αλληλοεπιδρούν με το ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον τους με τέτοιο τρόπο ώστε να απορροφούν τελείως ένα προσπίπτον κύμα χωρίς ανάκλασης ή ακόμη να ανακλούν τέλεια ένα προσπίπτον κύμα σε μια γωνία που δεν ακολουθεί τον νόμο του Σνελ χωρίς απώλειες. Αυτές οι δύο ικανότητες, η τελειά απορρόφηση και η τελειά ανάκλαση, μπορούν να θεωρηθούν ως βασικές ικανότητες των μοναδιαίων κυψελών για τον έλεγχο του πλάτους και της φάσης του ανακλώμενους κύματος. Με αυτό τον ελέγχω, οι μεταεπιφάνειες έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία πολλαπλών περιπλοκών μετώπων κυμάτων. Αυτά τα μέτωπα έχουν δημιουργηθεί με στατικό και δυναμικό τρόπο. Η δυναμική υλοποίηση τους έχει επιτευχθεί με την ενσωμάτωση ενεργών, μεταβλητών στοιχείων όπως διόδων, σε κάθε μοναδιαία κυψέλη. ΄Ολες οι μοναδιαίες κυψέλες μπορούν να μεταβληθούν ταυτόχρονα, με τη πόλωση τους από μια κεντρική τάση. Επίσης, κάθε κυψέλη μπορεί να πολωθεί μονή της από μια κεντρική μονάδα ελέγχου και να κατορθώσει να μεταβάλει τη φάση ή και το πλάτος σε κάθε κυψέλη ξεχωριστά. Με αυτό το μεμονωμένο έλεγχο έχουν υλοποιείθει πολυλειτουργικες και επαναπρογραμματιζόμενες μεταεπιφάνειες. Η υλοποιήσεις αυτόν τον επαναπρογραμματιζόμενων μεταεπιφάνειων με κεντρικές μονάδες ελέγχου είναι δύσκολη καθώς κάθε κυψέλη πρέπει να είναι ηλεκτρικά ενωμένη με την κεντρική μονάδα ελέγχου. Το κόστος, η κατανάλωση ενέργειας, η επεκτασιμότητα και η αξιοπιστία αυτόν τον επαναπρογραμματιζόμενων μεταεπιφάνειων χρήζει βελτίωσης. Στην παρούσα διατριβή αυτό επιτυγχάνετε με την ενσωμάτωση κάθε κυψελης με ιδικά σχεδιασμένα ολοκληρωμένα κυκλωμάτα. Πέραν τούτων, αυτά τα ολοκληρωμένα κυκλώματα παρέχουν επιπλέων λειτουργίες και ευκολία στη σχεδίαση της μεταεπιφάνεια. Τα ολοκληρωμένα κύκλωματα φορτώνουν κάθε κυψέλη μονάδας με συνθέτες εμπέδησεις ώστε να μεταβάλει τόσο το πλάτος όσο και τη φάση του ανακλώμενου κύματος. Με προσεκτικό σχεδιασμό των ολοκληρωμένο κύκλωματων ραδιοσυχνοτήτων και της ηλεκτρομαγνητική μεταεπιφάνεια, η πρώτη οικογένειας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για προγραμματιζόμενες μεταεπιφάνειες παράχθηκε καθώς και η πρώτη πολυλειτουργική και αναδιαμορφώσιμη μεταεπιφάνεια εξοπλισμένη με αυτά τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η μεταεπιφάνεια που είναι εξοπλισμένη με αυτά τα ολοκληρωμένα κυκλώματα επέδειξε τον έλεγχο του μεγέθους και της φάσης των συντελεστών ανάκλασης για ευρείες γωνίες πρόσπτωσης τόσο για εγκάρσιες ηλεκτρικές όσο και για εγκάρσιες μαγνητικές πολώσεις. Το ανακλώμενο κύμα μπορεί να μηδενιστεί και οι δύο πολώσεις μπορούν να απορροφηθούν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα μέχρι και αμβλείες γωνίες πρόσπτωσης τόσο για την εγκάρσια ηλεκτρική πόλωση όσο και για την εγκάρσια μαγνητική πόλωση. Ο έλεγχος μεγέθους και φάσης αξιοποιείται για να επιδειχθεί προγραμματιζόμενος χειρισμός ηλεκτρομαγνητικού μετώπου κύματος. Η μεταεπιφάνεια απόδειξε πειραματικά ότι μπορεί να παράγει αυθαίρετου σχήματος και πόλωσης μετώπα κύματος. Η αρχιτεκτονική που παρουσιάστηκε και το πρωτότυπο (η μεταεπιφάνεια), βρίσκουν άμεση εφαρμογή σε μείωσης διατομής ραντάρ, έξυπνα προγραμματιζόμενα ασύρματα περιβάλλοντα εσωτερικού και εξωτερικού χώρου, ακόμη μπορεί να τοποθετηθεί σε υφιστάμενους και μελλοντικούς σταθμούς βάσης τηλεπικοινωνιακών συστημάτων.

Metamaterials are composite materials which demonstrate properties that can’t be reproduced by materials found in nature. These materials consist of sub-wavelength structures, unit cells, which are engineered to alter their electromagnetic medium properties. A subclass of metamaterials, metasurface, are arranged in a two-dimensional lattice. Similar to metamaterials, these surfaces demonstrate abilities that can’t be found in any nature material. Their abilities enable them to interact with their electromagnetic environment so as to perfectly absorb or perfectly reflect an incident wave at an angle which doesn’t follow Snell’s law. These two metasurface abilities, can be considered as amplitude and phase control abilities by their sub-wavelength structures. These two abilities were exploited to generate complex wave-fronts. Wave-fronts were generated in a static manner first and later in a tunable and dynamic manner. Tunability can be achieved by embedding tunable lumped elements within each unit cell. All the tunable lumped elements can be biased simultaneously. By connecting each tunable lumped element to a central biasing unit like a field-programmable-gate array board individual, or local, control of amplitude and phase can be implemented in a programmable scheme. This implements a multifunctional and reconfigurable programmable metasurface. These implementations find a bottle-neck, which is inherited by their discrete lumped-element implementation. Cost, power consumption, scalability and reliability need to be addressed while incorporating additional functionality and performance in the metasurface design. This thesis addresses these limitations by incorporating application specific integrated circuits (ASICs), within each unit cell. The integrated circuit loads each unit cell, so as to control both amplitude and phase. Careful co-design of radio-frequency integrated circuits and electromagnetic metasurfaces, have led to the manufacturing of the first family of ASICs for programmable metasurfaces, along with the first multifunctional and reconfigurable ASIC-equipped metasurface. The produced metasurface demonstrates control over the reflected magnitude and phase for a wide range of incident angles for both transverse electric and transverse magnetic polarizations. The reflected wave can be set to zero, and both polarizations can be perfectly absorbed simultaneously and independently up to oblique angles of incidence for both transverse electric polarization, and for traverse magnetic polarization. Magnitude and phase control is exploited to demonstrate programmable electromagnetic wavefront manipulation for producing arbitrary shape and polarization wave-fronts. The presented design finds direct application in reduce radar cross-section application, smart indoor/outdoor programmable wireless environments, it can be retrofitted in current and future telecommunication systems.