Σχεδίαση και υλοποίηση επιφανειών με τεχνητές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες για εφαρμογές τηλεπικοινωνιών και διάδοσης ηλεκτρομαγνητικού κύματος

Abstract

The emerging role of metasurfaces and intelligent reconfigurable surfaces (IRSs) introduce new challenges in their design, analysis, and implementation. This dissertation focuses on the development of semi-analytical and numerical techniques for the analysis and design of metasurfaces and reconfigurable reflective surfaces, with applications in next-generation 6G wireless networks. An important part of this work also involves the design, fabrication, and experimental characterization of ultra-thin, conformal metasurface absorbers. Therefore, the thesis is structured around three main parts: a) the development of a semi-analytical scattering model for intelligent reflective surfaces, b) the design and experimental evaluation of absorbing metasurfaces, and c) the computational analysis of metasurfaces using the finite element method (FEM). In the second chapter, a semi-analytical free-space path-loss model based on the physical optics (PO) approximation is developed to simulate the scattering from intelligent reflective surfaces, considering both near-field and far-field regimes. Emphasis is given on the accurate estimation of the received power at the receiver load via the reflective surface. A comprehensive review of existing models in the literature is first presented, highlighting their advantages and limitations. Many of the most prominent models rely on simplifying assumptions—particularly in modeling the scattering behavior of unit cells—and frequently neglect polarization effects, which can significantly influence electromagnetic link performance.The proposed model addresses these limitations by rigorously incorporating all key elements of the wireless communication link, aiming for high accuracy in received power estimation. It employs physical optics principles and leverages the concept of the complex radar cross section (CRCS) to calculate the scattered power from individual unit cells. The CRCS captures the full three-dimensional scattering behavior, including amplitude, phase, and polarization characteristics. The final model is derived from the radar equation and explicitly includes all critical parameters: transmitter and receiver antenna characteristics, propagation distances, and unit cell scattering properties. A novel contribution of the model is the inclusion of the antenna polarization state of the transmitter, receiver, and scattered field—an aspect that significantly affects the received signal power.Additionally, a reconfigurable unit cell based on a varactor diode is designed for reflective metasurfaces. Using Floquet theory, several periodic configurations are synthesized to achieve both in-plane and out-of-plane anomalous reflection—the latter being rarely explored in existing literature. These designs serve to validate the semi-analytical path-loss model, demonstrating its superiority over existing approaches, particularly in scenarios where polarization plays a critical role. The model is also employed to predict the performance of a fabricated beam-splitting metasurface and is validated against experimental measurements.In the third chapter, the design, fabrication, and experimental validation of ultra-thin, flexible metasurface absorbers operating in the X-band (8–12 GHz) are presented. The goal is to develop two periodic absorbing metasurfaces on a thin substrate (300 μm) capable of conforming to curved surfaces. The design is particularly challenging due to substrate constraints and the stringent requirements for wideband absorption, low profile, lightweight, and mechanical flexibility. Additionally, polarization insensitivity is required for practical operation. The novelty of this work lies in achieving a combination of these functional characteristics within an exceptionally low substrate thickness—an approach rarely demonstrated in the existing literature. Following a review of absorber types, absorption mechanisms, and enhancement techniques, a narrowband absorber is first designed using uniform square metallic patches on a grounded substrate. Then, this is extended to a broadband design employing non-uniform patches, while preserving the low-profile structure. Structural symmetry is enforced to ensure polarization-insensitive performance. An evolutionary optimization algorithm is employed to fine-tune the geometric parameters and maximize absorption over the target frequency range.The two absorber designs are finally implemented on a composite Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) substrate, a material of great interest for UAV applications due to its excellent mechanical properties—including high strength-to-weight ratio, stiffness, corrosion resistance, and thermal stability. However, its electromagnetic behavior is challenging to characterize and exploit. Special attention is given to the electromagnetic characterization of CFRP, which is a non-trivial but essential aspect of the absorber design. All components and final prototypes are experimentally evaluated in both planar and conformal configurations. In the fourth chapter, a metasurface modeling and design framework based on the Finite Element Method (FEM) is developed. The large number and geometric complexity of metasurface unit cells lead to computationally intensive problems with a prohibitively high number of degrees of freedom. To overcome this, a homogenization technique is introduced via a zero-thickness sheet boundary condition. Since the goal is to model metasurfaces with bianisotropic behavior, the Generalized Sheet Transition Condition (GSTC) is incorporated into the FEM framework. The GSTC provides a rigorous equivalent representation of the metasurface through surface susceptibility tensors. These four tensors account for electric and magnetic anisotropy, as well as magnetoelectric and electromagnetic coupling, enabling the modeling of bianisotropic responses.The boundary condition is implemented in a two-dimensional domain using all three components of the electric field. A mixed finite element formulation—using both edge and nodal elements—is applied to the total electric field, allowing accurate representation of field discontinuities across the metasurface interface. The resulting computational tool enables robust modeling and design of anisotropic and bianisotropic metasurfaces. The fifth and final chapter summarizes the main conclusions of the dissertation and outlines potential directions for future research based on the findings presented.

Η αξία των μεταεπιφανειών και των έξυπνων επαναδιαμορφώσιμων επιφανειών έρχεται παράλληλα με τις αυξημένες δυσκολίες στη σχεδίαση, μελέτη και υλοποίηση των διατάξεων αυτών. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ημι-αναλυτικών και αριθμητικών τεχνικών μελέτης και σχεδίασης μεταεπιφανειών και επαναδιαμορφώσινων ανακλαστικών επιφανειών για εφαρμογές στα πλαίσια των νέων προηγμένων ασύρματων δικτύων έκτης γενιάς. Επιπλέον σημαντικό τμήμα της εργασίας αποτελεί η σχεδίαση, υλοποίηση και πειραματική αξιολόγηση απορροφητικής μεταεπιφάνειας πολύ χαμηλού πάχους με δυνατότητα συμμόρφωσης σε κυρτές επιφάνειες. Μπορούμε επομένως να πούμε ότι η παρούσα διατριβή χωρίζεται σε τρείς βασικούς άξονες: α) Στην ανάπτυξη ημι-αναλυτικού μοντέλου σκέδασης από έξυπνες ανακλαστικές επιφάνειες, β) στη σχεδίαση και πειραματική αξιολόγηση απορροφητικών μεταεπιφανειών και γ) στην υπολογιστική ανάλυση μεταεπιφανειών με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσεται ημι-αναλυτικό μοντέλο απώλειας διαδρομής ελευθέρου χώρου βασισμένο στην προσέγγιση της φυσικής οπτικής (ΦΟ) για την προσομοίωση της σκέδασης από έξυπνη ανακλαστική επιφάνεια τόσο στο κοντινό όσο και στο μακρινό πεδίο αυτής. Ιδιαίτερη βάση δίνεται στον ακριβή υπολογισμό της ισχύος λήψης στο φορτίο του δέκτη από την κεραία του πομπού μέσω της ζεύξης από την έξυπνη ανακλαστική επιφάνεια. Αρχικά γίνεται η αναδρομή σε αντίστοιχα μοντέλα της βιβλιογραφίας, όπου παρουσιάζονται τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά στοιχεία τους. Παρατηρείται ότι στα περισσότερα μοντέλα εφαρμόζονται προσεγγιστικές σχέσεις για τη μοντελοποίηση των επιμέρους παραμέτρων με σημαντικότερο το μοντέλο ενσωμάτωσης του παράγοντα σκέδασης για τους επιμέρους σκεδαστές (μοναδιαίο κελί). Επιπλέον, διαπιστώνεται ότι σε αρκετά μοντέλα δεν μοντελοποιείται η πόλωση των κεραιών και του πεδίου σκέδασης, κάτι που αποτελεί βασικό ηλεκτρομαγνητικό χαρακτηριστικό το οποίο επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό τη ζεύξη σε ένα κεραιοσύστημα πομπού-δέκτη. Το προτεινόμενο μοντέλο καλείται να εμπεριέχει όλα τα βασικά στοιχεία της ζεύξης, μέσω μιάς αυστηρής ηλεκτρομαγνητικής προσέγγισης και να οδηγεί σε υψηλή ακρίβεια στον υπολογισμό της ισχύος. Συγκεκριμένα, το μοντέλο αξιοποιεί τις βασικές αρχές της ΦΟ και τη θεωρία της μιγαδικής διατομής σκέδασης ραντάρ για τον υπολογισμό της σκεδαζόμενης ισχύος στο μακρινό πεδίο από το κάθε μοναδιαίο κελί της διάταξης. Η μιγαδική διατομή σκέδασης, όπως θα φανεί αποτελεί μία ποσότητα η οποία μοντελοποιεί την τρισδιάστατη συμπεριφορά σκέδασης από τον σκεδαστή, ενσωματώνοντας τόσο τη μεταβολή στο πλάτος όσο και τη φάση για το σκεδαζόμενο πεδίο από το κάθε μοναδιαίο κελί της διάταξης. Επίσης, σημαντική πληροφορία που εμπεριέχει το μέγεθος αυτό είναι η κατάσταση της πόλωσης, στην οποία βρίσκεται το σκεδαζόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Στη συνέχεια, αξιοποιείται η εξίσωση του ραντάρ για την κατασκευή του τελικού μοντέλου που συνδέει τον πομπό και τον δέκτη μέσω της ανακλαστικής επιφάνειας. Στο τελικό μοντέλο διακρίνονται ξεχωριστά όλες οι παράμετροι που διέπουν το σύστημα ασύρματης ζεύξης όπως κεραίες πομπού και δέκτη, σχετικές αποστάσεις αλλά και ο παράγοντας σκέδασης από το κάθε μοναδιαίο κελί της διάταξης. Χαρακτηριστικό το οποίο διακρίνει το προτεινόμενο μοντέλο και αναδεικνύει την υπεροχή του, έναντι άλλων της βιβλιογραφίας, είναι ο παράγοντας σύνδεσης της πόλωσης των κεραιών του δέκτη, του πομπού και του σκεδαζόμενου πεδίου από την διάταξη, ο οποίος και επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό την ωφέλιμη ισχύ που τελικά υπολογίζεται στο φορτίο του δέκτη.Επίσης στο ίδιο κεφάλαιο σχεδιάζεται μοναδιαίο κελί με μεταβλητό στοιχείο τύπου varactor για τη σύνθεση ανακλαστικών επαναδιαμορφώσιμων επιφανειών. Με βάση αυτό και τη θεωρία Floquet σχεδιάζεται ένας αριθμός από περιοδικές διατάξεις ανώμαλης ανάκλασης σε ένα επίπεδο. Επιπλέον, γίνεται έρευνα και σχεδίαση διατάξεων για εκτός επιπέδου ανάκλαση, μία εφαρμογή η οποία δεν συναντάται συχνά στη βιβλιογραφία. Όλες οι παραπάνω σχεδιάσεις αξιοποιούνται για την αξιολόγηση του ημι-αναλυτικού μοντέλου απώλειας διαδρομής όπου και φαίνεται η υπεροχή του σε σύγκριση με άλλα, παρόμοιας φιλοσοφίας από τη βιβλιογραφία, ιδιαίτερα σε σημεία στα οποία η πόλωση του ηλεκτρικού πεδίου διαδραματίζει σημαντικό ρόλο. Τέλος γίνεται η απόπειρα μέτρησης πραγματικής διάταξης επιφάνειας διαχωρισμού δέσμης και η εφαρμογή του μοντέλου για την προσομοίωση και πρόβλεψη της ισχύος λήψης και της σκέδασης όπως προέκυψε από αυτήν. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η σχεδίαση, υλοποίηση και πειραματική αξιολόγηση υπέρλεπτων, εύκαμπτων απορροφητικών μεταεπιφάνειων στις μικροκυματικές συχνότητες της X-Band, μεταξύ 8 και 12 GHz. Στόχος του κεφαλαίου είναι η συστηματική σχεδίαση και υλοποίηση δύο περιοδικών απορροφητικών επιφανειών σε υπόστρωμα χαμηλού πάχους (300 μm) και η δυνατότητα συμμόρφωσης του σε κυρτές επιφάνειες. Λόγω του περιορισμού ως προς τις ιδιότητες του υποστρώματος, και τις απαιτήσεις χαμηλού πάχους, βάρους και υψηλής ευκαμψίας, η σχεδίαση κρίνεται ιδιαίτερα απαιτητική ως προς την επίτευξη υψηλής απορρόφησης σε αυξημένο συχνοτικό εύρος ζώνης. Επιπλέον περιορισμό στη γεωμετρία της διάταξης θέτει και η πόλωση του προσπίπτοντος ηλεκτρικού πεδίου αφού απαιτείται πανομοιότυπη συμπεριφορά ανεξάρτητα της διεύθυνσης αυτής. Η σχεδίαση μιας δομής με τα παραπάνω χαρακτηριστικά αποτελεί μια καινοτομία στον χώρο των απορροφητικών επιφανειών καθώς στην πρόσφατη βιβλιογραφία δεν έχει παρατηρηθεί η επίτευξη ικανής απορρόφησης σε διατάξεις με το συγκεκριμένο πάχος. Προς την κατεύθυνση αυτή γίνεται αρχικά μία σύντομη αναφορά σε διαφορετικά είδη απορροφητικών μεταεπιφανειών που έχουν αναπτυχθεί στη βιβλιογραφία, στους μηχανισμούς απορρόφησης και σε μεθόδους βελτίωσης των επιμέρους χαρακτηριστικών τους. Με βάση αυτά σχεδιάζεται μεταεπιφάνεια από ομοιόμορφα τετραγωνικά αγώγιμα μεταλλικά στοιχεία με μεταλλική επίστρωση στην πίσω πλευρά του υποστρώματος για την επίτευξη απορρόφησης σε στενό εύρος ζώνης στην X-Band. Με βάση τη σχεδίαση αυτή γίνεται επέκταση σε περιοδική δομή ανομοιόμορφων αγώγιμων τετραγωνικών patches για επίτευξη αυξημένου εύρους ζώνης απορρόφησης με διατήρηση του χαμηλού πάχους της διάταξης. Χρησιμοποιώντας την κατάλληλη συμμετρία, για την επίτευξη απορρόφησης ανεξάρτητα της πόλωσης του ηλεκτρικού πεδίου, εξάγεται η βασική αρχιτεκτονική του νέου απορροφητή, πως δηλαδή θα πρέπει να βρίσκονται χωροταξικά τα μεταλλικά στοιχεία. Στο σημείο αυτό εφαρμόζεται μια μέθοδος εξελικτικής βελτιστοποίησης όπου με παραμετροποίηση της γεωμετρίας επιτυγχάνεται σχεδίαση για βέλτιστη απόκριση δηλαδή υψηλή απορρόφηση σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Τέλος εφαρμόζονται οι δύο διατάξεις απορροφητών σε σύνθετο υλικό βάσης από φύλλα ανθρακονημάτων προεμποτισμένων με εποξική ρητίνη. Το ανθρακόνημα αποτελεί ένα καινοτόμο υλικό κατάλληλο για την κατασκευή τμημάτων ενός αεροχήματος καθώς προσφέρει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, όπως υψηλή αντοχή σε σχέση με το βάρος, υψηλή ακαμψία, αντοχή στην διάβρωση και θερμική σταθερότητα. Ηλεκτρομαγνητικά ωστόσο το ανθρακόνημα είναι ένα υλικό αρκετά δύσκολο στον χαρακτηρισμό του αλλά κυρίως στην αξιοποίησή του για κατασκευή ηλεκτρομαγνητικών διατάξεων. Έτσι στα πλαίσια της εργασίας δίνεται προσοχή στον χαρακτηρισμό του υλικού ανθρακονήματος καθώς όπως φαίνεται αποτελεί μια αρκετά δύσκολη διαδικασία. Σε όλα τα παραπάνω στάδια γίνεται πειραματική αξιολόγηση των επιμέρους κατασκευαστικών στοιχείων των απορροφητών αλλά και των τελικών δειγμάτων τόσο σε επίπεδη όσο και σε κυρτή διάταξη. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσεται ένα εργαλείο μοντελοποίησης και σχεδίασης μεταεπιφανειών βασισμένο στην αριθμητική μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Ο μεγάλος αριθμός των σκεδαστών/μοναδιαίων κελιών που απαρτίζουν την διάταξη και η λεπτομερής δομή τους, οδηγούν σε έναν αξιοσημείωτα υψηλό αριθμό βαθμών ελευθερίας, που καθιστά την επίλυση του προβλήματος έως και απαγορευτική. Επιλέγεται έτσι να αξιοποιηθεί κατάλληλη οριακή συνθήκη ως μέθοδος ομογενοποίησης της διάταξης μέσω φύλλου μηδενικού πάχους. Καθώς στόχο αποτελεί η μοντελοποίηση μεταεπιφανειών με διανισοτροπικές ιδιότητες, γίνεται η απόπειρα ενσωμάτωσης της γενικευμένης συνθήκης μετάβασης φύλλου στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Η συνθήκη αυτή αποτελεί τη γενικότερη ισοδύναμη αναπαράσταση των ιδιοτήτων της μεταεπιφάνειας μέσω των τανυστών επιφανειακής επιδεκτικότητας. Συγκεκριμένα, μέσω των τεσσάρων τανυστών επιδεκτικότητας μοντελοποιούνται η ηλεκτρική και μαγνητική ανισοτροπία και η ηλεκτρο-μαγνητική και μαγνητο-ηλεκτρική σύζευξη η οποία υποδεικνύει τις διανισοτροπικές ιδιότητες της διάταξης. Στο πλαίσιο της διατριβής γίνεται η εφαρμογή της οριακής συνθήκης σε χωρίο δύο διαστάσεων με την ενσωμάτωση των τριών συνιστωσών ηλεκτρικού πεδίου. Εφαρμόζεται η προσέγγιση Galerkin ως προς το ολικό ηλεκτρικό πεδίο σε στοιχεία μεικτού τύπου ακμών και κόμβων για την ορθή μοντελοποίηση των τριών συνιστωσών του ηλεκτρικού πεδίου ανάλογα με τη διεύθυνση τους ως προς το χωρίο που εξετάζεται. Όπως θα φανεί, η ασυνέχεια που παρουσιάζεται στις εντάσεις τόσο του ηλεκτρικού όσο και του μαγνητικού πεδίου στις δύο όψεις της διεπιφάνειας, που αυτή ορίζεται, χρήζει ιδιαίτερης μεταχείρισης στον τρόπο ενσωμάτωσης στη συγκεκριμένη διατύπωση. Η ενσωμάτωση της συνθήκης αυτής στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων αποτελεί ένα ισχυρό υπολογιστικό εργαλείο μελέτης και σχεδίασης ανισοτροπικών και διανισοτροπικών μεταεπιφανειών. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο, παρατίθενται τα κυριότερα συμπεράσματα που προέκυψαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Παράλληλα, τα αποτελέσματα που συζητούνται συμπληρώνονται από πιθανές μελλοντικές προεκτάσεις με βάση τα όσα μελετήθηκαν και παρουσιάστηκαν στην εργασία αυτή.