Artificial materials for electromagnetic wave-front manipulation applied to antenna systems

Badawy, Taher; Beruete, Miguel; Knott, Peter Hubert

doi:HT031405349

Artificial materials for electromagnetic wave-front manipulation applied to antenna systems

Badawy, Taher^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Taher Badawy, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Knott, Peter Hubert (Thesis advisor)^RWTH* ; Beruete, Miguel (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01754
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1028613/files/1028613.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Yagi–Uda-Type director array (frei) ; metasurfaces (frei) ; method of moments (frei) ; reflectarray (frei) ; tunable metasurfaces (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Künstliche Oberflächen sind technische Strukturen, die aus zweidimensionalen Anordnungen von Streuteilchen im Subwellenlängenbereich bestehen und die Manipulation elektromagnetischer Wellen ermöglichen. Sie können für viele verschiedene Funktionen ausgelegt werden, darunter anomale Reflexion, Strahlschwenkung und Fokussierung. Hinsichtlich der Art ihrer Wechselwirkung mit einfallenden elektromagnetischen Wellen können sie in drei Gruppen eingeteilt werden: Wellenleitung, Transmission und Reflexion. Wichtige Werkzeuge zur Untersuchung derartiger Materialien stellen rechnerbasierte numerische Verfahren dar, bei denen die Wellenausbreitung je nach Größe des Problems (numerisch) anhand des Lösens der Maxwell'schen Gleichungen (numerisch exakt, Vollwellensimulation) oder unter Ausnutzung asymptotischer Verfahren (Näherungsverfahren) berechnet wird. Da sich die geometrischen Abmessungen der Materialstrukturen zur Beeinflussung einer Welle im mikroskopischen Subwellenlängenbereich befinden, die Oberfläche der Gesamtstruktur für sinnvolle Anwendungen jedoch als makroskopisch anzusehen ist, stellen die simulationstechnische Aufbereitung (Modellierung) des Problems und dessen Lösung besondere Herausforderungen dar. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, eine einfache und effektive Modellierungsmethode zu entwickeln, um beliebige dreidimensionale Objekte oder beliebig geformte Oberflächen zur Manipulation von elektromagnetischen Ausbreitungsphänomenen zu analysieren und maßgeschneiderte Oberflächen für spezielle Anwendungsfälle zu kreieren bzw. zu optimieren. Das im allgemeinen dreidimensionale Problem wird auf eine zweidimensionale Problemstellung reduziert. Dabei wird nur die Ebene berücksichtig, in der die elektromagnetischen Felder nicht homogen sind. Die metallischen Strukturen, deren geometrische Ausdehnungen sich weit unterhalb der sich bei der Betriebsfrequenz einstellenden Materialwellenlänge erstrecken, werden als effektiv lokal homogen betrachtet und durch einen beliebig gekrümmten Lagenaufbau von sich abwechselnden dielektrischen Schichten und Impedanzschichten repräsentiert. Jede Impedanzschicht wird durch äquivalente Ströme modelliert und hat eine senkrecht zur Oberflächennormalen gegen Null tendierende Ausdehnung. Die Felder innerhalb der dielektrischen Bereiche werden durch äquivalente Polarisationsströme nach dem Volumenäquivalenzprinzip beschrieben. Um die elektromagnetische Streuung der äquivalenten Ströme an dem Schichtenmodell zu analysieren, wird zunächst eine Volumen-Oberflächen-Integralgleichung angesetzt. Die kontinuierliche Integralgleichung wird diskretisiert und numerisch mit der Momentenmethode (Method of Moments, MoM) gelöst. Die MoM wird sowohl für TE als auch TM polarisierte, auf das Schichtmedium einfallende Wellen formuliert. Da das betrachtete Problem zweidimensional ist, werden die Volumenintegrale des ursprünglich dreidimensionalen Problems zu Oberflächenintegralen über die Querschnittsflächen und die Oberflächenintegrale zu Linienintegralen über die Berandungen der Querschnittsflächen reduziert. Um die Genauigkeit und Effizienz der vorgeschlagenen Modellierungsmethode zu validieren und zu bewerten, werden drei verschiedene Beispiele untersucht.

Artificial surfaces are engineered structures consisting of two-dimensional arrangements of subwavelength scattering elements that enable electromagnetic wave manipulation. They can be designed for many applications, including impedance matching surfaces, antenna beam scanning, and beam focusing lenses. With respect to the type of their interaction with incident electromagnetic waves, they can be categorized into three groups: wave guiding, transmission, and reflection. Artificial surfaces are challenging to model and optimize using full-wave simulations as they represent a multi-scale problem. They consist of subwavelength unit cells (micro-scopic scale) that require dense geometrical meshes to capture all physical details. At the same time, the entire surface is electrically large (macroscopic scale). This highlights the need to develop a simple and efficient modeling method to analyze three-dimensional arbitrarily shaped artificial surfaces with any kind of polarization. In this work, we focus only on artificial surfaces that are periodic or continuous and can be considered as infinitely extended in one spatial dimension perpendicular to the plane of wave propagation. The three-dimensional physical problem is simplified to a two-dimensional equivalent problem considering only the plane where the fields are not uniform. The subwavelength metallic patterns of the artificial surfaces are homogenized and represented by zero-thickness impedance sheets with equivalent electric currents. Thus, the two-dimensional equivalent model consists of the cross-sections of multilayer arbitrarily curved zero-thickness impedance sheets separated by dielectric layers. The fields within the dielectric regions are described by equivalent polarization currents according to the volume equivalent principle. A volume-surface integral equation is proposed to analyze the electromagnetic scattering by the two-dimensional equivalent model due to the equivalent currents. The continuous volume-surface integral equation is discretized and solved numerically using the method of moments (MoM). The MoM is formulated for both TE and TM polarized excitations. Since the problem is two-dimensional, the volume integrals of the original three-dimensional problem reduce to surface integrals over the cross-sections of the structure, and the surface integrals reduce to line integrals over the boundaries of the two-dimensional cross-sections. To validate and evaluate the accuracy and efficiency of the proposed MoM modeling method, three illustrative examples are studied. 1. Guiding of waves along artificial surfaces. 2. Manipulation of electromagnetic waves passing through transmissive metasurfaces. 3. Manipulation of electromagnetic waves by reflective metasurfaces.

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