New Circular Polarization Selective Surface Concepts Based on The Pierrot Cell Using Printed Circuit Technology

RESUMÉ Ce mémoire porte sur la recherche d'une méthode alternative permettant de construire une surface sélective en polarisation circulaire (circular polarization selective surface, ou CPSS) basée sur la cellule de Pierrot en utilisant la technologie des circuits imprimés. Cette technique de fabrication utilise un substrat mince plié, ce qui permet la mise en œuvre des cellules de Pierrot sur une couche de métal définie par des techniques de circuits imprimés de précision, sans avoir besoin de trous d'interconnexion métallisés. Différentes topologies des CPSS sont analysées afin de rendre le CPSS plus efficace en termes de bande passante et de l'indépendance de l'angle d'arrivée de l'onde incidente. Des prototypes de CPSS réfléchissants pour la polarisation circulaire gauche et transparents pour la polarisation circulaire droite sont conçus pour illustrer les avantages de l'approche proposée. Le premier prototype est un CPSS composé de cellules simples de Pierrot optimisées pour avoir de bons coefficients de réflexion et de transmission. Ce prototype a été construit et ensuite caractérisé par un banc de test en fonctionnement dans la bande K. Les coefficients de transmission des ondes planes en incidence normale et de polarisations circulaires droite et gauche sont -0.48 dB et -24 dB respectivement. La bande passante obtenue pour un coefficient de transmission de la polarisation circulaire gauche inférieure à -3 dB était de 17.6%. Ces résultats sont en bon accord avec les résultats de simulations obtenus avec HFSS. Une deuxième variante considérée est une cellule de Pierrot avec une charge série ajoutée sur le segment du milieu. Grâce à cette cellule, il est possible d'égaliser les fréquences pour lesquelles il y a un meilleur fonctionnement pour les polarisations circulaires droite et gauche. Cette cellule a permis d'obtenir une amélioration pour le rapport copolarisation à polarisation croisée pour les ondes RHCP de 10 dB à 20 GHz. La charge supplémentaire n'affecte pas la performance de la polarisation circulaire gauche comme prévu. La troisième variante est une cellule de Pierrot à 90 degrés. Cette cellule est conçue afin de permettre d'imprimer sur le même substrat deux types de cellules fonctionnant à des fréquences différentes, et ainsi permettre d'élargir la bande de fonctionnement des CPSS.

Abstract

This M.A.Sc. thesis focuses on finding an alternative method of constructing a circular polarization selective surface (CPSS) based on the Pierrot cell using the standard printed circuit technology. This technique uses a folded flexible substrate, which enables the implementation of the 3D Pierrot cells on a single metal layer defined with precision printed circuit board techniques, without the need for metalized via holes. Different topologies of the CPSS are analyzed in order to make the CPSS more efficient in terms of bandwidth and independence on the direction of propagation of the incident wave. A left-hand CPSS is designed to illustrate the benefits of the proposed approach. The first approach is a simple Pierrot unit cell CPSS which is optimized to have good reflection and transmission coefficients. A prototype is built and then characterized in a test bench operating in the K-band. For the fabricated prototype, the transmission coefficients of plane waves at normal incidence in the right-hand and the left-hand circular polarizations are -0.48 dB and -24 dB respectively. The bandwidth for which the transmission coefficient of the incident left-handed incident wave is greater than -3 dB was of 17.6%. These results are in good agreement with simulations results obtained with HFSS. A second variant considered is a Pierrot cell with a series load in the middle segment. With this cell it is possible to equalize the frequencies giving a better operation in the right- and left-handed circular polarized waves. There is an improvement for the co-pol to cross-pol ratio for the RHCP waves of 10 dB at 20 GHz. The added load does not affect the performance for the left-hand circular polarization, as expected. The third modification is a Pierrot cell at 90 degrees. This cell is designed to allow the combination of two Pierrot cells working at different frequencies on the same substrate in order to increase the frequency bandwidth of the CPSS. Unfortunately, the axial ratio for this configuration is much deteriorated while the rest of the results remain at good values.