Multi-Order Reflective Polarization Rotators and Their Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis of student g202314610) My Thesis (Eprint Submitted).pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 22 December 2026. Download (84MB)

Arabic Abstract

تقدم هذه الأطروحة دراسة شاملة حول تصميم وتحليل وتطبيق مدورات الاستقطاب العاكسة من أجل المعالجة المتقدمة للاستقطاب وتوليد الاستقطاب الدائري. تم إجراء البحث على مرحلتين رئيسيتين. في المرحلة الأولى، تم اقتراح منهجية لتطوير أسطح عاكسة مدورة للاستقطاب ذات الاستجابة متعددة الرتب، مما يتيح التحكم المرن في رتبة الاستجابة دون زيادة التعقيد في تصميم الخلية الوحدية المكونة للسطح. تستخدم التصاميم المقترحة ثلاث طبقات معدنية مفصولة بمواد عازلة كهربائية، وتجمع بين سطح انتقائي للتردد ذي حلقة مربعة و بين رنانات شريطية ملفوفة لتحقيق دوران استقطاب من رتبة الاستجابة الثالثة والرابعة. هذه المحولات مبنية على محول استقطاب عاكس أساسي من الدرجة الثانية. من خلال تكييف توزيعات التيار داخل الرنانات، تم تحقيق استجابات من الرتب الأعلى قابلة للتحكم، مع نسبة تحويل استقطاب تتجاوز ٪٩٠ عبر النطاق الترددي. ٤.٣-٥.٦ جيجاهرتز. تم التحقق من صحة المفهوم من خلال برامج محاكاة والنماذج الأولية التجريبية، مما أظهر توافقأ ممتازا وأثبت جدوى مدورات الاستقطاب العاكسة القابلة للتطوير والمتعددة الرنين. في المرحلة الثانية، تم تطبيق مفهوم تدوير الاستقطاب لتحقيق إشعاع دائري الاستقطاب فعال. تم دمج سطح عاكس مدور للاستقطاب مع هوائي ثنائي القطب سطحي معدوم السماكة تقليدي لتحويل الاشعاع المستقطب ٕلى إشعاع ذي استقطاب دائري. يعكس السطح مع هوائي ثنائي القطب سطحي معدوم السماكة تقليدي لتحويل الاشعاع المستقطب خطيا إلى إشعاع ذي استقطاب دائري.الموجة خطية الاستقطاب باستقطاب خطي مدور بمدار ٩٠ درجة عن الخط الساقط إضافة إلى المساهمة بتقدم طور الموجة المنعكسة على السطح بمقدار معين، مما يتيح الجمع بين الموجات المنبعثة مباشرة من الهوائي والمنعكسة لتشكيل نمط مجال بعيد دائري الاستقطاب . يعمل التصميم المقترح في النطاق .٥ -٣٥ .٥ ٨ جيجاهرتز مع نسبة محورية للاستقطاب الدائري أقل من ٣ ديسيبل ويسمح باعادة تكوين الاستقطاب بين الاستقطاب الدائري الأيمن والأيسر من خلال دوران ميكانيكي بسيط بزاوية ٩٠ درجة للسطح العاكس. بشكل عام، توضح الأطروحة التقدم من التصميم الأساسي إلى مدورات الاستقطاب متعددة الرتبة وتعرض تطبيق عملي للأسطح المصممة في أننظمة الهوائيات لجعلها هوائيات قابلة لاعادة وحلا فعالًا من حيث التكلفة لتطبيقات اللاسلكي والأقمار الصناعية والرادار الحديثة.

English Abstract

This thesis presents a comprehensive study on the design, analysis, and application of reflective polarization rotators (RPRs) for advanced polarization manipulation and circular polarization generation. The research is conducted in two main phases. In the first phase, a systematic methodology for developing multi-order RPRs is proposed, enabling flexible control of response order without increasing unit cell complexity. The designs utilize three metallic layers separated by dielectric substrates, combining a square-loop frequency selective surface with wrapped microstrip resonators to achieve third- and fourth-order polarization rotation responses from a basic second-order RPR. By tailoring the current distributions within the resonators, different controllable higher-order responses were realized, with polarization conversion ratio (PCR) exceeding 90% across the 4.3–5.6 GHz band. The concept was validated through full-wave simulations and experimental prototypes, showing excellent agreement and demonstrating the feasibility of scalable, multi-resonant RPRs. In the second phase, the polarization rotation concept is applied to realize a compact and efficient circularly polarized (CP) radiation. A reflective metasurface-based polarization rotator was integrated with a conventional printed dipole antenna to convert the linearly polarized (LP) radiation into circular polarization. The metasurface reflects the incident LP wave with a 90◦ polarization rotation and a designed phase compensation, enabling the combination of the direct and reflected waves to form a CP far-field pattern. The proposed design operates in the 5.35–5.8 GHz band with an axial ratio below 3 dB and allows polarization reconfiguration between right-handed and left-handed circular polarization through a simple 90◦ mechanical rotation of the metasurface. Overall, the thesis demonstrates a progression from the fundamental design to multi-order polarization rotators and showcasing a practical implementation in polarization-reconfigurable antenna systems, offering a low-profile, cost-effective, and mechanically simple solution for modern wireless, satellite, and radar applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Research > Engineering Physics Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Alreshaid, Ali
Committee Members:	Omar, Ahmed and Qureshi, Khurram
Depositing User:	SAEED ISSA (g202314610)
Date Deposited:	22 Dec 2025 12:44
Last Modified:	22 Dec 2025 12:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143831