Electromagnetic (EM) Lens antennas with the ability to achieve high gain and directivity have attracted much attention. Various types of lenses has been proposed to enhance the gain and directivity of the antenna. In an EM lens antenna, the lens transforms the quasi-spherical wave emitted by a source antenna into near plane wave, producing a high gain. However, in cases where gain and directivity of the source antenna is improved but on the other hand side lobe level (SLL) becomes high. Therefore, an EM lens should possess twin properties i.e., achieving high gain and directivity along with suppressed SLL. In addition to that beam steering becomes necessary for mobile transmitter and receiver systems. Recently, researchers has address these problems by the development of ultra-thin metasurface based lenses. Thin Metasurface possess very attractive abilities to enhance the gain as well as steer the electromagnetic waves. It allows cost effective fabrications due to its flat shape which enable us to reduce size especially the thickness and promises for future applications in wireless communications.
A novel electromagnetic (EM) lens with high gain, suppressed side lobe level (SLL) and low profile is designed using thin planar metasurfaces. The proposed design consists of a source patch antenna and an EM lens based on two thin planar metasurfaces. The two thin metasurfaces with an air gap are placed at the focal distance, H of about $\lambda/2.25$ above the source patch antenna. This configuration form a thin planar lens in which the source patch antenna emitted quasi-spherical wave in order to transformed into plane wave. The total size of source antenna and an EM lens is same. The miniaturized EM lens antenna faces high SLL; which can be reduced by maintaining the uniform transmission phase coefficient and tunable transmission amplitude coefficient of metasurface unit cells. By implementing this topology on metasurfaces, the SLL of proposed EM lens can be reduced without affecting the boresight gain of source patch antenna. The measured results of proposed EM lens achieves 7 dB gain enhancement at designed frequency (5.8 GHz) with the SLL suppression of -24 dB. The total volume of planar lens antenna is $1.17\lambda \times 1.17\lambda \times \lambda/2.25mm^3$, which is very compact compared to other reported planar lens designs.
Moreover, in this study, two designs of thin metasurface electromagnetic lenses for high gain and beam steering applications are proposed at 5.8 GHz. These thin metasurfaces are fed by a traditional linear polarized source patch antennas. Firstly, the metasurface based lenses are characterized using GRIN standard function equations and designed using full wave EM simulation CST software. In first design, the unit cells are distributed over a metasurface in circular concentric zones, while in the second design the unit cells are distributed in linear vertical zones over a metasurface. Both the metasurfaces are fed by a source patch antennas. The metasurfaces are place 30 mm away from the source antenna so as to improve boresight gain. This distance is calculated by GRIN function and further optimized by full wave EM CST simulator. Once the boresight gain is improved for both the designs then next is the beam steering of the proposed metasurface lenses. It can be achieved by mechanically sliding the designed metasurfaces in horizontal direction (+x-direction or –x-direction) over source radiator to obtain different beam steering angles. This study demonstrate that the proposed mestasurfaces increase the gain of the source patch antenna from 5.1 dB to 14.98 dB and 5.15 dB to 15.1 dB and beam steering angle range of -23 to +23 degrees and -27 to 27 degrees for lens design 1 and 2, respectively.
Additionally, the proposed EM lens design has been implemented on different source antennas at 5.8 GHz and on millimeter-wave band (26.5-29.5 GHz). The different sources antennas are $2 \times 2$ circularly polarized (CP) array, $4 \times 8$ antenna array and a horn antenna. The presented EM lens proves reasonable performance on the aforementioned antenna arrays. Results shows the reasonable improved in gain and directivity of the antenna arrays.
높은 이득과 방향성을 달성할 수 있는 능력을 가진 전자파(EM)렌즈 안테나가 많은 관심을 끌고 있다. 안테나의 이득과 방향성을 높이기 위해 다양한 종류의 렌즈가 제안되어 왔다. EM 렌즈 안테나에서, 렌즈는 소스 안테나가 방출하는 준 구면파를 준 평면파로 변환하여 높은 이득을 얻는다. 그러나 이런 경우 소스 안테나의 이득과 방향성은 개선되지만 사이드 로브가 커진다. 따라서 전자파 렌즈는 억제된 SLL과 함께 높은 이득과 방향성을 달성하는 두 가지 특성을 가져야 한다. 또한 빔 조종은 이동 송신기와 수신기 시스템에 필요하다. 최근에, 연구원들은 초박형 메타표면 기반의 렌즈를 개발함으로써 이러한 문제들을 해결했다. 얇은 금속 표면은 전자기파를 조종할 뿐만 아니라 이득도 높일 수 있는 매우 매력적인 능력을 가지고 있다. 이것은 우리가 크기, 특히 두께를 줄일 수 있게 해주는 평평한 모양 때문에 비용 효율적인 제작을 허용하고 무선 통신의 미래 어플리케이션을 약속한다.
높은 이득, 억제된 측엽 레벨 및 낮은 프로파일의 새로운 전자파(EM) 렌즈는 얇은 평면 메타표면을 사용하여 설계된다. 제안된 설계는 두 개의 얇은 평면 메타표면에 기초한 소스 패치 안테나와 전자파 렌즈로 구성된다. 에어 갭이 있는 두 개의 얇은 메타 표면은 소스 패치 안테나 위 약 $\lambda/2.25$의 초점 거리에 위치한다. 이 구성은 소스 패치 안테나가 평면파로 변환하기 위해 준 구형파를 방출하는 얇은 평면렌즈를 형성한다. 소스 안테나와 전자파 렌즈의 총 크기는 동일하다. 소형화된 전자파 렌즈 안테나는 높은 SLL에 직면한다. 이는 메타표면 단위 셀의 균일한 전송 위상 계수 및 조정 가능한 전송 진폭 계수를 유지함으로써 감소될 수 있다. 이 위상을 메타 표면에서 구현함으로써 제안된 전자파 렌즈의 SLL은 소스 패치 안테나의 보어사이트 이득에 영향을 주지 않고 줄일 수 있다. 제안된 전자파 렌즈의 측정 결과는 SLL 억제에서 -24dB로 설계된 주파수(5.8GHz)에서 7dB 게인 향상을 달성한다. 평면렌즈 안테나의 총 부피는 $1.17\lambda \times 1.17\lambda \times \lambda/2.25mm^3$로 보고된 평면렌즈 설계에 비해 매우 작다.
또한 본 연구에서는 높은 이득과 빔 조종 애플리케이션을 위한 두 가지 얇은 메타표면 전자파 렌즈 설계가 5.8 GHz에서 제안되었다. 이 얇은 메타표면은 전통적인 선형 편광 소스 패치 안테나에 의해 공급된다. 첫째, 메타표면 기반 렌즈는 GRIN 표준 함수 방정식을 사용하여 특정되며, 전파 전자파 시뮬레이션 CST 소프트웨어를 사용하여 설계된다. 첫 번째 설계에서는 단위 셀이 원형 동심 구역의 메타표면에 분포되고, 두 번째 설계에서는 단위 셀이 메타표면 위에 선형 수직 구역으로 분포된다. 두 메타표면은 소스 패치 안테나에 의해 공급된다. 메타표면은 보어사이트 이득 개선을 위해 소스 안테나에서 30mm 떨어진 곳에 위치한다. 이 거리는 GRIN 기능으로 계산되며, 전파 전자파 CST 시뮬레이터로 더 최적화된다. 일단 보어사이트 이득이 두 설계 모두에 대해 개선되면, 다음은 제안된 메타표면 렌즈의 빔 조종이다. 다른 빔 조종 각도를 얻기 위해 설계한 메타 표면(+x 방향 또는 –x 방향)을 소스 라디에이터 위로 기계적으로 미끄러짐으로써 달성할 수 있다. 본 연구는 제안된 메타표면이 렌즈 설계 1과 2의 경우 소스 패치 안테나의 이득을 각각 5.1dB 에서 14.98dB, 5.15dB 에서 15.1dB로, 빔 조종 각 범위는 -23도에서 +23도, -27도에서 27도로 증가시킨다는 것을 입증한다.
또한 제안된 전자파 렌즈 설계는 5.8 GHz 및 밀리미터파 대역(26.5-29.5 GHz)의 서로 다른 소스 안테나에 구현되었다. 서로 다른 소스 안테나는 $2 \times 2$ 원형 편광(CP) 배열, $4 \times 8$ 안테나 배열 및 혼 안테나로 구성된다. 제시된 EM 렌즈는 전술한 안테나 배열에서 합리적인 성능을 입증한다. 결과는 안테나 배열의 이득과 방향성의 합리적인 향상을 보여준다.
