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Design and Analysis of Slot Based Transparent Magnet-Less Non-Reciprocal Metasurfaces

Burak Gurlek

Masters thesis (2015)

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Cite this document: Gurlek, B. (2015). Design and Analysis of Slot Based Transparent Magnet-Less Non-Reciprocal Metasurfaces (Masters thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/1809/
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Abstract

RÉSUMÉ Le but de ce travail de recherche est de concevoir et d’analyser des métasurfaces gyrotropiques non-réciproques ne nécessitant pas de champ de polarisation magnétique. Une réponse non-réciproque peut être obtenue en brisant la symétrie par renversement du temps (symétrie T). Ce qui peut être réalisé en utilisant des quantités qui sont antisymétriques par renversement du temps comme le champ magnétique, le courant électrique, le moment et le moment angulaire orbital. Dans ce travail, un courant électrique de polarisation est utilisé pour briser la symétrie T et ainsi obtenir une réponse gyrotropique non-réciproque. Un réseau périodique en deux dimensions constitué d’ouvertures annulaires terminées par de grandes ouvertures carrées et chargées par des semi-conducteurs unidirectionnels est suggéré pour réaliser une métasurface non-réciproque sans polarisation magnétique (MNM). Il est montré qu’une terminaison avec de larges ouvertures carrées est nécessaire pour assurer une adaptation d’impédance entre les ouvertures annulaires et les composants unidirectionnels. De ce fait, une structure MNM est conçue pour obtenir une résonance à ondes progressives,i.e. un dipôle magnétique tournant se comportant de la même façon qu’une molécule de ferrite magnétisée. Les coefficients de réflexion et de transmission de la structure sont calculés numériquement pour en démontrer la réponse gyrotropique non-réciproque. Par ailleurs, la réponse asymétrique de la structure, pour des ondes planes incidentes de polarisation en x ou en y, est mise en évidence et il est suggéré qu’une rotation de la structure permettrait une réponse symétrique non-réciproque au prix de perdre l’effet gyrotropique non-réciproque similaire aux structures en ferrite. Une explication physique de l’effet gyrotropique non-réciproque, obtenu en empêchant la propagation dans le sens inverse de l’un des modes-propres de la structure, est fournie en utilisant la théorie de Sturm-Liouville. Afin de comprendre la réponse électromagnétique d’une métasurface, les paramètres bi-anisotropiques de surface sont analytiquement dérivés en fonction des dyades de réflexion et de transmission basées sur les conditions aux limites. Les paramètres bi-anisotropiques de surface de la structure MNM sont extraits des résultats de simulations numériques. La réponse magnétique dipolaire de la structure MNM apparaît de manière évidente à travers ses paramètres d’impédance de surface. Etant donné que les paramètres d’impédance de surface sont bien plus élevés comparés aux autres paramètres bi-anisotropiques de surface, un simple modèle de ligne de transmission est proposé pour modéliser la structure MNM monocouche.----------ABSTRACT The goal of this research is to design and analysis of transparent magnet-less non-reciprocal gyrotropic metasurfaces (MNMs). Non-reciprocal response requires breaking of the timereversal symmetry and could be realized with quantities that are odd vector under time reversal such as magnetic field, current, momentum and orbital angular momentum. Current biasing is used to break the time-reversal symmetry and to achieve transparent non-reciprocal gyrotropic response. A 2D periodic array of annular slotted ring structure terminated with big slot patches and loaded with semiconductor-based unidirectional components is suggested to realize a transparent magnet-less non-reciprocal gyrotropy. It is shown that the big slot termination is required for matching of the annular slotted transmission line and the unidirectional component. Thus, a slot MNM is designed to achieve a travelling wave resonance, i.e. the rotating magnetic dipole response as magnetized ferrite molecules. Reflection and transmission coefficients of the designed structure are numerically computed to prove the ferrite-like non-reciprocal gyrotropic response of the structure. Moreover, asymmetrical response of the structure under x- and y-polarized plane wave incidence is highlighted and a rotated design is suggested to have a symmetrical non-reciprocal response in the expense of destroying the ferrite-like non-reciprocal gyrotropy. A physical explanation of the non-reciprocal gyrotropy, achieved by prohibiting one of the counter-propagating eigenstates of the slot MNM, is provided by utilizing the Sturm- Liouville theory. In order to understand the electromagnetic response of a metasurface, bianisotropic surface parameters of the metasurface is analytically derived in terms of reflection and transmission dyadics from discontinuity of the electromagnetic fields. Bianisotropic surface parameters of the slot MNM is extracted from the numerical simulation results. Magnetic dipole moment response of the slot MNM is evident from its large surface impedance parameters. Since surface impedance parameters of the structure is very large compared to other bianisotropic surface parameters, a simple transmission-line model is suggested to model the single-layer slot MNMs. Although ferrite-like transparent non-reciprocal behaviour could be achieved with slot MNMs, there is a non-negligible reflection from the structure due to its subwavelength nature. In order to circumvent the reflection issue of slot MNMs, reflection cancellation methods are discussed and a tentative analysis is employed. First, the duality theorem is exploited to cancel the reflection of slot MNMs since the designed structure could be characterized with a magnetic dipole moment.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie électrique
Dissertation/thesis director: Christophe Caloz
Date Deposited: 15 Dec 2015 15:09
Last Modified: 27 Jun 2019 16:48
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1809/

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