Design of metasurfaces for detection system application

Abstract

This Doctoral Thesis is focused on achieving advances on metasurfaces, which can be integrated in detection systems. The aim is to introduce novel techniques for designing, analyzing, manufacturing and measuring metasurfaces. Firstly, a thorough review of literature contributions on metamaterials is conducted and their applications and operating principles are presented. Metasurfaces' analytical models are introduced from two points of view: extracting their constitutive parameters and developing their equivalent circuit models. The latter is useful for relating the metasurfaces' behavior to their geometry and constituent materials. A new model for extracting the constitutive parameters of metasurfaces backed by a ground plane is proposed and validated. Moreover, the numerical techniques used for analyzing electromagnetic devices are introduced and adjusted to study metasurfaces. Therefore, new set-ups are devised for computing the reflectivity of metasurfaces. Apart from presenting the common set-ups, which considers the metasurface as infinite, new ones are designed for analyzing the actual finite metasurfaces. The latter is useful for selecting the required number of metasurface's unit-cells, which provides a similar behavior to its infinite counterpart. Metasurface absorbers (MTAs) with improved angular stability performance, suitable bandwidth and certain conformability are introduced and a comparison with literature contributions supports this enhanced behavior. Furthermore, a MTA is combined with an antenna to reduce its Radar Cross Section (RCS), without deteriorating its radiation properties. In addition, different scaling values for a proposed metasurface absorber's unit-cell metallization are studied and conclusions regarding the optimum ones and the required number of unit-cells are drawn. Lumped components are introduced on square and hexagonal shaped loop and patch based AMCs, aiming at improving their angular stability. AMCs’ equivalent models are devised to establish a criteria for selecting the lumped components' values and to analytically show their angular stability improvement, which is also validated by numerical simulations. Conclusions regarding the more suitable component for the AMCs are drawn. Moreover, comparisons with other literature contributions show the better performance of the proposed technique. Several types of antennas are combined with the previous angularly stable AMCs to improve their radiation properties. The issues that arise when the antenna is placed just above the AMC are examined and alternatives to circumvent them are given. In fact, not any combination of AMC and antenna provides improved radiation properties. The latter depends on the antenna's substrate, the coupling between both structures and the AMC’s angular stability. Leaky wave antennas are also presented and their surface is tuned to improve their radiation properties and change their polarization. Furthermore, they are designed to be easily manufacturable using additive manufacturing techniques. Curved Frequency Selective Surfaces (FSSs) are analyzed and compared with their planar counterpart. It is shown that the position and orientation of the curved FSSs with respect to the transmitting antenna determine their passband characteristics. Moreover, their manufacturing issues are introduced, as well as solutions for circumventing them. Experimental characterization under oblique incidence of metasurfaces in anechoic chamber are presented. Both monostatic and bistatic set-ups are deployed and their suitability for being compared with the simulation results is discussed. Crucial considerations are given for measuring the angular margin under which the metasurface properly works. In addition, it is highlighted that not only the antennas' but also the metasurface's sizes have to be taken into account for obtaining the Far Field distance. Indeed, a clear difference in the results are obtained when the latter is not considered. Esta Tesis Doctoral se centra en obtener avances en metasuperficies integrables en sistemas de detección. El objetivo es ir más allá del estado del arte, introduciendo nuevas técnicas de diseño, análisis, fabricación y medida de metasuperficies. Primero, se realiza una exhaustiva revisión de la literatura dedicada a metamateriales y se presentan sus aplicaciones y principios de operación. Se estudian los modelos analíticos más relevantes para caracterizar metasuperficies, mostrándolos desde dos perspectivas: la extracción de sus parámetros constitutivos y el desarrollo de sus modelos de circuito equivalente. Esto ayuda a relacionar el comportamiento de la metasurperficie con su geometría y los materiales que la constituyen. Se propone y valida un modelo para extraer los parámetros constitutivos de metasuperficies con plano de masa. Además, se introducen técnicas numéricas para el estudio de metasuperficies, ideando nuevos set-ups para calcular la reflectividad de las metasuperficies reales finitas. Estos permiten seleccionar el número de celdas unidad requeridas, que proporcionen un comportamiento similar al de la metasuperficie infinita. Se diseñan metasuperficies absorbentes (MTAs) que presentan una adecuada estabilidad angular y ancho de banda y exhiben cierta conformabilidad. Una comparativa de las mismas con otras presentadas en la literatura verifica su comportamiento mejorado. Además, una de las MTAs se combina con una antena para reducir su sección radar (RCS), sin deteriorar sus propiedades de radiación. Por otro lado, se estudia el efecto de introducir diferentes factores de escalado en las metalizaciones de las celdas unidad de otra MTA y se extraen conclusiones relativas al valor de escalado óptimo y el número de celdas unidad requeridas. Se introducen componentes concentrados en conductores magnéticos artificiales (AMCs) basados en celdas unidad cuadradas y hexagonales tipo 'parche' y tipo 'loop', con el objetivo de mejorar su estabilidad angular. Se idean modelos de circuito equivalente de los AMCs, para seleccionar el valor de sus componentes concentrados y mostrar analíticamente las mejoras en sus estabilidades angulares, las cuales también se validan mediante simulaciones. Asimismo, se extraen conclusiones sobre los componentes concentrados más adecuados para los AMCs. Se muestran las mejoras introducidas con la técnica propuesta comparándola con otras presentadas en la literatura. Por otro lado, se combinan varias antenas con los AMCs angularmente estables, con el objetivo de mejorar sus propiedades de radiación y se analizan los fenómenos que surgen cuando la antena se sitúa justo encima del AMC. Se pone de manifiesto que cualquier combinación de AMCs y antenas, no mejora sus propiedades de radiación. Factores como el substrato de la antena, el acoplamiento entre ambas estructuras y la estabilidad angular de los AMCs, influyen en el comportamiento de la estructura. Se diseñan antenas leaky wave donde ajustando su superficie de forma adecuada, se consiguen mejorar sus propiedades de radiación y modificar su polarización. Además, dichas antenas son fácilmente fabricables, mediante técnicas de fabricación aditiva. Se presenta superficies selectivas en frecuencia (FSSs) curvas mostrando que es crucial su posición y orientación con respecto a la antena transmisora, para definir su banda de paso. Además, se introducen sus problemas de fabricación y se proponen soluciones. Se presentan medidas de metasuperficies bajo incidencia oblicua en cámara anecoica, implementando set-ups monoestáticos y biestáticos y analizando la adecuación de los resultados para ser comparados con los de simulación. Además, se proporcionan consideraciones cruciales para medir la metasuperficie bajo un margen angular adecuado. Se resalta que para obtener la distancia de campo lejano hay que considerar las dimensiones de la antena y del prototipo, mostrando mediante medidas la clara diferencia que existe cuando no se tienen en cuenta lo anterior.