Design and optimization of reconfigurable metasurfaces and graphene-based structures

Abstract

Reconfigurable devices, capable of dynamically altering their characteristics according to the operation environment, constitute a key enabler for new-generation wave manipulation systems. This work explores different approaches to achieve reconfiguration, both at an analytical and experimental level, with a special focus on millimeter wave and terahertz bands. Initially, a deep review of the state of the art of pattern reconfigurable devices at millimeter wave frequencies is conducted, covering technologies ranging from metasurfaces to reconfigurable materials. On the most experimental block of the work, a specific optimization framework, based on binary evolutionary techniques, is conceived for the design of phase-shifting pixelated metasurfaces. This is utilized for the design of a 180º ultra-low-loss phase shifter operating in V band, that has been fabricated and successfully characterized. Secondly, reconfigurable devices based on transient and time-modulation phenomena in dispersive materials are explored. An in-house finite-difference-time-domain (FDTD) tool is built, which allows for the modeling of graphene-based and planar dispersive materials. This is firstly exploited to design a graphene oxide microstrip antenna at 6 GHz with sensing capabilities. In a second stage, an analytical formulation for the analysis of transient states of space-time dispersive media is proposed. The proposed FDTD implementation is used for the validation of the analytical approach, and the dispersive material properties are exploited to achieve frequency conversion, field amplification, and scattering control. Finally, the framework is extended for the simulation of time-modulated graphene-based materials. Graphene’s chemical potential, which can be externally controlled, is modulated to achieve different states, which alters the spectral response of the system. The last and most numerical block of this work consists on exploring the natural response of graphene scatterers by the development of a finite element method solver to explore the quasi-normal modes of the system. An augmented eigenvalue problem is addressed where graphene is represented as an equivalent surface current, correlating with the surface conductivity of the material through a Debye frequency dispersion model. The proposed formulation covers the normalization of graphene QNMs and the reconstruction of scattered fields, providing a complete analysis tool that handles graphene as a scattering surface. The featured methodology is successfully validated by comparing the evaluated absorption cross-section due to scattering from a graphene circular sheet with the corresponding outcomes of a commercial full-wave solver.

Οι αναδιαμορφώσιμες συσκευές, ικανές να μεταβάλλουν δυναμικά τα χαρακτηριστικά τους ανάλογα με το λειτουργικό περιβάλλον, αποτελούν βασικό παράγοντα για τα συστήματα χειρισμού κυμάτων νέας γενιάς. Η παρούσα εργασία διερευνά διαφορετικές προσεγγίσεις για την επίτευξη της αναδιαμόρφωσης, τόσο σε αναλυτικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο, με ιδιαίτερη έμφαση στις ζώνες millimeter wave και terahertz.Αρχικά, πραγματοποιείται εκτενής επισκόπηση της υπάρχουσας βιβλιογραφίας σχετικά με pattern reconfigurable devices σε συχνότητες millimeter wave, καλύπτοντας τεχνολογίες που εκτείνονται από metasurfaces έως reconfigurable materials. Στο πιο πειραματικό μέρος της εργασίας, αναπτύσσεται ένα συγκεκριμένο πλαίσιο βελτιστοποίησης, βασισμένο σε binary evolutionary techniques, για τον σχεδιασμό phase-shifting pixelated metasurfaces. Αυτό χρησιμοποιείται για τη σχεδίαση ενός ultra-low-loss phase shifter 180º που λειτουργεί στη V band, το οποίο έχει κατασκευαστεί και επιτυχώς χαρακτηριστεί. Στη συνέχεια, διερευνώνται reconfigurable devices βασισμένες σε transient και time-modulation φαινόμενα σε dispersive materials. Αναπτύσσεται ένα in-house finite-difference-time-domain (FDTD) εργαλείο, το οποίο επιτρέπει τη μοντελοποίηση graphene-based και planar dispersive materials. Αρχικά, αυτό αξιοποιείται για τον σχεδιασμό μιας graphene oxide microstrip antenna στα 6 GHz με δυνατότητες ανίχνευσης. Σε δεύτερο στάδιο, προτείνεται μια αναλυτική διατύπωση για την ανάλυση των transient states των space-time dispersive media. Η προτεινόμενη FDTD υλοποίηση χρησιμοποιείται για την επικύρωση της αναλυτικής προσέγγισης και οι ιδιότητες των dispersive materials αξιοποιούνται για την επίτευξη frequency conversion, field amplification και scattering control. Τέλος, το πλαίσιο επεκτείνεται για τη προσομοίωση time-modulated graphene-based materials. Η chemical potential του graphene, η οποία μπορεί να ελεγχθεί εξωτερικά, μεταβάλλεται για την επίτευξη διαφορετικών καταστάσεων, μεταβάλλοντας έτσι την spectral response του συστήματος. Το τελευταίο και πιο αριθμητικό μέρος της εργασίας επικεντρώνεται στη διερεύνηση της φυσικής απόκρισης των graphene scatterers μέσω της ανάπτυξης ενός finite element method solver για τη μελέτη των quasi-normal modes του συστήματος. Αντιμετωπίζεται ένα augmented eigenvalue problem, όπου το graphene αναπαρίσταται ως ένα equivalent surface current, συσχετίζοντας με την surface conductivity του υλικού μέσω ενός Debye frequency dispersion model. Η προτεινόμενη διατύπωση καλύπτει την κανονικοποίηση των graphene QNMs και την ανακατασκευή των scattered fields, παρέχοντας ένα ολοκληρωμένο αναλυτικό εργαλείο που χειρίζεται το graphene ως μια scattering surface. Η προτεινόμενη μεθοδολογία επικυρώνεται επιτυχώς συγκρίνοντας την υπολογιζόμενη absorption cross-section λόγω σκέδασης από ένα graphene circular sheet με τα αντίστοιχα αποτελέσματα ενός εμπορικού full-wave solver.