High-Efficiency and Low-Profile Reconfigurable Reflectarray Antennas Based on Metasurface

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents high-efficiency 1-bit reconfigurable reflectarray antennas (RRAs) based on metasurfaces. The PIN diode-based 1-bit RRAs have the potential to be an alternative to conventional phased array antennas due to their tremendous advantages in various perspectives, such as gain, weight, size, cost, manufacturing, simple control unit, and fast on/off switching speed.
First, a brief history, background, and characterization of metasurfaces are introduced. The characteristics of passive RA and RRA are reviewed by comparing the unit cell structure, and the scope of this dissertation regarding PIN diode-based RRAs is presented.
Second, the principle of designing RRAs with high aperture efficiency is introduced. Aperture efficiency is analyzed by separating it into factors, such as spillover, illumination, element, quantization, and others. Elaborate studies on feed configuration, phase-controllable unit cell, and beam steering with phase quantization are performed to achieve high aperture efficiency.
Third, a wide-angle and high-efficiency RRA based on a miniaturized radiating element is presented. Based on array antenna theory, wide-angle beam steering is achieved using a miniaturized ring patch element with a wide element pattern. This RRA is designed with a low-profile feed configuration, and the quantization efficiency is maximized by considering the reference phase and asymmetric phase difference.
Lastly, a dual-polarized RRA based on a symmetrically rotated sub-array is presented. In this design, a miniaturized rectangular unit cell is employed to generate pure single-polarization, and a dual-polarized metasurface is designed by arranging them alternately. In addition, adopting a symmetrically rotated sub-array significantly suppresses the cross-polarization levels and slightly improves the peak gains.
The proposed RRAs with high-efficiency are expected to have potential as an alternative to conventional phased array antennas in areas such as radars, satellite communications, and 5G or 6G communication base stations, etc.

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문은 메타표면 기반의 고효율 1비트 재구성 가능한 반사배열 안테나를 제안한다. PIN 다이오드 기반의 1비트 재구성 가능한 반사배열 안테나는 이득, 무게, 크기, 비용, 제작공정, 제어장치의 간소화, 빠른 온/오프 스위칭 속도의 다양한 측면에서 엄청난 이점을 가지고 있어 기존 위상 배열 안테나의 대안으로서 잠재력을 갖고 있다.
1장에서는 간단한 메타표면의 간략한 역사, 배경, 특성화가 소개된다. 수동형 및 재구성 가능한 반사배열 안테나의 단위 셀을 비교하여 특성을 검토하고, 본 학위논문의 범위를 PIN 다이오드 기반의 재구성 가능한 반사배열 안테나로 제시한다.
2장에서는 높은 개구면 효율을 갖는 재구성 가능한 반사배열 안테나의 설계 원리를 소개한다. 여기서 개구면 효율은 spillover, illumination, element, quantization, others의 요소로 분리되어 분석된다. 높은 개구면 효율을 달성하기 위해, 급전의 구성, 위상 제어 가능한 단위 셀, 위상 양자화를 통한 빔조향에 관한 정교한 연구들이 수행된다.
3장에서는 소형화된 방사소자를 기반으로 한 광각 및 고효율의 재구성 가능한 반사배열 안테나를 제시한다. 광각 빔조향은 배열 안테나 이론을 기반으로 광각 소자 패턴을 가진 소형 링 패치 소자를 사용하여 달성된다. 이 재구성 가능한 반사배열 안테나는 로우 프로파일 급전 구성으로 설계되며, 기준 위상과 비대칭 위상 차를 고려하여 양자화 효율이 극대화된다.
4장에서는 대칭적으로 회전된 하위배열을 기반으로 한 이중편파 재구성 가능한 반사배열 안테나가 제시된다. 순수한 단일 편파를 발생시키도록 하기 위해 소형화된 직사각형 단위 셀이 설계되며, 이를 교대로 배열하여 이중편파 메타표면이 설계된다. 또한, 대칭적으로 회전된 하위배열은 교차 편파 레벨을 크게 억제하고 최대이득을 약간 향상시킨다.
본 논문에서 제안한 고효율 재구성 가능한 반사배열 안테나들은 레이더, 위성통신, 5G 또는 6G 통신 기지국 등과 같은 분야에서 위상 배열안테나의 응용의 대안으로써 잠재력이 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Overview of Metasurfaces 2
• 1.1.1 From Metamaterials to Metasurfaces 2
• 1.1.2 Scope and Characterization 3
• 1.1.3 Phase Gradient Metasurfaces 6
• 1.2 Reflectarray Antenna Based on Metasurfaces 8
• 1.2.1 Passive Reflectarray Antennas 8
• 1.2.2 Reconfigurable Reflectarray Antennas 13
• Chapter 2. Principle of Reconfigurable Reflectarray Antenna 17
• 2.1 Aperture Efficiency Analysis 18
• 2.1.1 Aperture Efficiency Factors 18
• 2.1.2 Feeding Efficiency Analysis 20
• 2.2 Design of Reconfigurable Reflectarray Antenna 25
• 2.2.1 1-Bit Phase-Controllable Reflective Unit Cell 25
• 2.2.2 Unit Cell Measurement Using Waveguide Simulator 34
• 2.2.3 Beam Steering with 1-Bit Phase Quantization 41
• Chapter 3. Wide-Angle and High-Efficiency Reconfigurable Reflectarray Antenna 48
• 3.1 Introduction 49
• 3.2 Metasurface Design 50
• 3.2.1 Miniaturized Unit Cell 50
• 3.2.2 Low-Profile Feed Configuration 54
• 3.3 Fabrication and Experiment 56
• 3.3.1 Fabrication of Prototype 56
• 3.3.2 Experiment Setup 59
• 3.3.3 Results 61
• 3.4 Discussion: Asymmetric Phase Difference 69
• 3.5 Conclusion 73
• Chapter 4. High-Efficiency and Dual-Polarized Reconfigurable Reflectarray Antenna 74
• 4.1 Introduction 75
• 4.2 Metasurface Design 77
• 4.2.1 Purely Single-Polarized Miniaturized Unit Cell 77
• 4.2.2 Feed Optimization 79
• 4.2.3 Symmetrically Rotated Sub-array 82
• 4.3 Fabrication and Experiment 85
• 4.3.1 Fabrication of Prototype 85
• 4.3.2 Results 88
• 4.4 Examples of Simultaneous Beam Control 93
• 4.5 Discussion 98
• 4.6 Conclusion 100
• Chapter 5. Dissertation Summary 101
• Appendix A. Low-Profile TM Incident Retrodirective Metasurface 104
• A.1 Introduction 105
• A.2 Modeling of Unit Cell 107
• A.3 Low-Profile TM Incident Unit Cell and Super Cell 112
• A.4 Fabrication and Experiment 115
• A.5 Conclusion 117
• Appendix B. Azimuthal Six-Channel Retrodirective Metasurface 118
• B. 1 Introduction 119
• B. 2 Design of Metagrating 121
• B. 3 Simulation 126
• B. 4 Fabrication and Experiment 129
• B. 5 Conclusion 131
• Bibliography 132
• 국문 초록 145
• 감사의 글 147