Multi-Band Reflective and Wideband Transmissive Polarization Rotators. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Master_Thesis_final.pdf Restricted to Repository staff only until 28 November 2026. Download (12MB)

Arabic Abstract

تُعدّ دوّارات الاستقطاب مكوّناتٍ أساسية في أنظمة الاتصالات والرادار الحديثة، إذ تتيح تدوير الاستقطاب بكفاءة عالية للحد من خسائر عدم تطابق الاستقطاب وتحسين تنوّع الإشارة. ومع ذلك، تواجه التصاميم الحالية تحدياتٍ ملحوظة؛ إذ تفتقر دوّارات الاستقطاب الانعكاسية متعددة النطاقات (RPRs) إلى منهجية تصميم منهجية تتيح التحكم المستقل في نطاقات التشغيل، بينما تعاني دوّارات الاستقطاب الناقلة (TPRs) عادةً من مقايضاتٍ بين عرض النطاق، وعدم الحساسية للاستقطاب، والاستقرار الزاوي .لمعالجة هذه القيود، تُقدّم هذه الرسالة منهجية تصميم جديدة وبسيطة لتطوير دوّارات استقطاب انعكاسية متعددة النطاقات (RPRs)، تُمكّن من التحكم المستقل في نطاقات التشغيل ضمن خليةٍ مدمجة. وتعتمد الفكرة الأساسية على التحكم في توزيع التيار في الرنان الحلقي لتحويل الموجات الساقطة المستقطبة خطيًا إلى موجاتٍ متصالبة الاستقطاب عند الانعكاس. ويمكن تحقيق التشغيل متعدد النطاقات من خلال إضافة حلقاتٍ إضافية إلى الطبقة العلوية، بحيث تتحكم كل حلقةٍ في نطاق ترددها الخاص بشكل مستقل .ولإثبات المفهوم، تم تصميم دوّار استقطاب انعكاسي ثنائي النطاق باستخدام حلقتين مربعتين في الطبقة العلوية تعملان في نطاقي التردد ‎[2.02–2.26]‎ غيغاهرتز و‎[4.12–4.48] غيغاهرتز. كما تم توسيع التصميم إلى تكوين ثلاثي النطاق بإضافة حلقة ثالثة تعمل عند ‎[1.54–1.70]‎ غيغاهرتز و‎[3.35–3.70]غيغاهرتز و‎[5.10–5.45]‎ غيغاهرتز .وفي الجزء الثاني من هذه الرسالة، تم اقتراح دوّار استقطاب ناقل واسع النطاق وغير حساس للاستقطاب (PITPR) يحقق أداءً متميزًا يشمل عرض نطاق واسع (‎28.33%‎) ، وبنية مدمجة (‎0.11λ_c‎) ، واستقرارًا زاويًا يصل حتى ‎40°‎، متفوقًا بذلك على التصاميم السابقة .تم تصنيع النماذج الأولية للتصاميم المقترحة وقياسها، وأظهرت النتائج توافقًا ممتازًا مع نتائج المحاكاة، مما يؤكد ملاءمتها للتطبيقات عالية الأداء في أنظمة الاتصالات اللاسلكية والرادار.

English Abstract

Polarization rotators are critical components in modern communication and radar systems, enabling efficient polarization rotation to mitigate polarization mismatch losses and enhance signal diversity. However, existing designs face notable challenges: multi-band reflective polarization rotators (RPRs) often lack a systematic design methodology and independent control of their operating bands, whereas transmissive polarization rotators (TPRs) typically involve trade-offs among bandwidth, polarization insensitivity, and angular stability. To address these limitations, this thesis introduces a novel and straightforward design methodology for multi-band reflective polarization rotators (RPRs), enabling independently controllable operating bands within a compact unit cell. The core idea involves manipulating the current distribution of a loop resonator to convert linearly polarized incident waves into cross-polarized waves upon reflection. Multi-band operation is achieved by incorporating additional loops into the top layer, with each loop independently controlling its corresponding frequency band. As a proof of concept, a dual-band RPR was designed using two square loops on the top layer, operating within the frequency ranges 2.02–2.26 GHz and 4.12–4.48 GHz. The design was further extended to a tri-band configuration by adding a third loop, operating at 1.54–1.70 GHz, 3.35–3.70 GHz, and 5.10–5.45 GHz. In the second part of the thesis, a wideband, polarization-insensitive transmissive polarization rotator (PITPR) is proposed, achieving simultaneous polarization insensitivity, wide bandwidth (28.33%), compactness (0.11 λc), and angular robustness (stable up to 40°), outperforming existing designs. Fabricated prototypes of the proposed designs were measured and showed excellent agreement with simulation results, confirming their suitability for high-performance applications in wireless communication and radar systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Omar, Ahmed
Committee Members:	Algarni, Abdullah and Attia, Hussein
Depositing User:	ABDULRAHMA AHMED (g201836020)
Date Deposited:	30 Nov 2025 05:31
Last Modified:	30 Nov 2025 05:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143758