Microwave Metamaterials for Compact Filters and Antennas

Mikrowellen-Metamaterialien für kompakte Filter und Antennen

  • In this thesis, the fundamental properties of negative permeability, permittivity and left-handed materials are explored in the antenna and filter design as potential microwave applications. As an investigation on basic properties and alternative design methods of metamaterials, artificial magnetic materials are examined at first. Artificial magnetic materials in the form of metallic cylinders with/without splits and split ring resonators are studied. Approximate effective permeability formulatiIn this thesis, the fundamental properties of negative permeability, permittivity and left-handed materials are explored in the antenna and filter design as potential microwave applications. As an investigation on basic properties and alternative design methods of metamaterials, artificial magnetic materials are examined at first. Artificial magnetic materials in the form of metallic cylinders with/without splits and split ring resonators are studied. Approximate effective permeability formulations are derived. Numerical calculations for the transmission and reflection parameters of concentric cylinders with splits are carried out in addition to analytical calculations. The good agreement between analytical and numerical calculations is confirmed. The resonance frequency of split ring resonators is also approximated with an alternative formulation derived from quasi-static analysis. It is shown that the numerical calculations agree better with the derived formulation than the original formulation. 1D dispersion diagram of split ring resonators is also examined numerically. Effective material parameters are retrieved to confirm Lorentzian-type frequency dependence of permeability. As an investigation for more homogenous material design, a fractal spiral resonator is studied as a unit cell of negative permeability material. It is confirmed that the composite material has negative permeability between the magnetic plasma and resonance frequency with capacitive wave impedance. At second, artificial dielectrics composed of periodic metallic wires are examined with analytical and numerical calculations. It is shown that the effective permittivity of wire array has Drude type frequency dependence and is negative at the frequencies smaller than the plasma frequency. The numerical and analytical calculations are in good agreement. To design more homogeneous metamaterials, a fractal anti-spiral resonator is examined as a unit cell of negative permittivity material. It is pointed out that the composite material has negative permittivity between the electric plasma and resonance frequency with inductive wave impedance. As a last investigation on metamaterial fundamentals, the design of left-handed materials is explored. The eigenmode equation of a rectangular waveguide, which is periodically loaded with negative permittivity and permeability cells is analytically and numerically calculated. Both are in good agreement. In addition, a conventional LHM unit cell is numerically studied. It is confirmed that the LH transmission band is the overlapping region of negative permittivity and permeability bands. A compact cell geometry based on wire loading of spiral resonators is studied as an alternative to the conventional cell designs. It is deduced from the numerical calculations that it can be used in the design of more homogeneous LH materials. Next, two potential microwave applications are explored. The first application is antenna design. Two meta-antennas are examined. The first antenna is a broadband dipole antenna, which is designed by loading the dipole element with LHM cells in an array form. The broadband operation is confirmed by experimental and numerical results. It is shown from the surface current distribution and radiation patterns that LHM cells are radiating with a lower gain in comparison to the dipole antenna. In addition, it is deduced from the numerical results that to adjust the phase difference per unit cell can be one solution to increase the radiation efficiency and antenna gain. Possible gain enhancement methods are pointed out, one of which is used in the design of the second antenna. It is a microstrip slot antenna. It is designed with electric and magnetic dipoles in the form of slotted metamaterial cells in the radiator. It is confirmed numerically that the antenna is narrowband with high radiation efficiency and gain.The second application is the filter design. Two meta-filters are examined. The first filter is a compact band-stop filter. It is designed by directly connecting four LHM cells in the form of λ/4 resonators with the feeding line. The bandstop characteristics are confirmed by experimental and numerical results. The second design is a compact band-pass filter, which is designed by coupling two unit cells directly connected with the feeding line. It is shown numerically that low insertion loss and high selectivity can be achieved by optimizing the field coupling among the resonators. One advantage of both filters is that there is no need of a matching network, which therefore reduces the filter size significantly.show moreshow less
  • In dieser Arbeit werden die grundlegenden Eigenschaften negativer Permeabilität, Permittivität und linkshändiger Materialien(LHM) beim Entwurf von Antennen und Filtern als potenzielle Anwendungen in der Mikrowellentechnik erforscht. Bei der Untersuchung grundlegender Eigenschaften und Design-Methoden von Metamaterialien, widmet sich diese Arbeit zunächst den künstlichen magnetischen Materialien. Diese künstlichen magnetischen Materialien liegen in Form von metallischen Zylindern mit oder ohne SpIn dieser Arbeit werden die grundlegenden Eigenschaften negativer Permeabilität, Permittivität und linkshändiger Materialien(LHM) beim Entwurf von Antennen und Filtern als potenzielle Anwendungen in der Mikrowellentechnik erforscht. Bei der Untersuchung grundlegender Eigenschaften und Design-Methoden von Metamaterialien, widmet sich diese Arbeit zunächst den künstlichen magnetischen Materialien. Diese künstlichen magnetischen Materialien liegen in Form von metallischen Zylindern mit oder ohne Spalten oder Spaltringresonatoren vor. Approximierte Formulierungen für die effektive Permeabilität werden abgeleitet. Die Berechnungen der Transmissions-/Reflexionsparameter von konzentrischen Zylindern mit Spalten werden auf analytischem Wege und numerisch durchgeführt. Die Resonanzfrequenz der Spaltringresonatoren ist nach einem quasistationären Ansatz berechnet worden. Zur Untersuchung eines homogeneren Materialdesigns, wird ein fraktaler Spiralresonator als Einheitszelle mit negativer Permeabilität zum Einsatz gebracht. Die effektive Permeabilität ist negativ im gesamten Bereich zwischen der magnetischen Plasma- und Resonanzfrequenz. Eine zweite Art künstlicher Materie, bestehend aus periodisch angeordneten metallischen Drähten, wird durch analytische und numerische Berechnungen untersucht. Die effektive Permittivität weist eine Frequenzabhängigkeit nach dem Drude-Modell auf und ist negativ bei Frequenzen unterhalb der Plasmafrequenz. Um stärker homogenisierte Metamaterialien zu entwickeln, wird ein fraktaler Antispiralresonator als Einheitszelle eines Materials mit negativer Permittivität untersucht. Das Material weist negative Permittivität zwischen der elektrischen Plasma- und Resonanzfrequenz auf. Als letzte Untersuchung wird das LHM Design erforscht. Die Eigenmodegleichung eines rechteckigen Hohlleiters, der periodisch mit Zellen negativer Permittivität und Permeabilität bestückt ist, wird analytisch und numerisch berechnet. Das linkshändige Transmissionsband ist der Überlappungsbereich des negativen Permittivitäts- und Permeabilitätsbands. Eine kompakte Zellgeometrie, die auf Spiralresonatoren basiert, welche mit Drähten belastet ist, wird als Alternative zu den herkömmlichen Zelldesigns untersucht. Als nächstes werden zwei mögliche Anwendungsbereiche in der Mikrowellentechnik untersucht. Der erste Bereich ist Antennendesign. Zwei Meta-Antennen werden untersucht. Die erste Antenne ist eine breitbandige Dipolantenne, bei der die Dipolelemente durch LHM Einheitszellen in Form eines Arrays belastet werden. Die Breitbandigkeit dieser Antenne wird durch experimentelle und numerische Ergebnisse bestätigt. Die zweite Antenne ist eine Schlitzantenne, welche mit elektrischen und magnetischen Dipolen in Form von geschlitzten Metamaterialzellen im Abstrahlelement gestaltet wird. Die Antenne ist schmalbandig mit hoher Abstrahleffizienz und Gewinn. Die zweite Anwendung ist der Filterentwurf. Zwei Meta-Filter sind untersucht. Der erste Filter ist ein kompakter Bandsperrfilter, welcher durch galvanische Kopplung von vier LHM Zellen in der Form von λ/4-Resonatoren mit Speiseleitung gestaltet wird. Das zweite Design ist ein kompakter Bandpassfilter, der durch Kopplung von zwei Elementarzellen, die direkt mit der Speiseleitung verbunden sind, entworfen ist. Ein Vorteil der beiden Filter ist, dass es keine Notwendigkeit für eine Anpassungsschaltung gibt, wodurch die Filtergröße deutlich reduziert wird.show moreshow less

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Metadaten
Author: Merih Palandöken
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-37561
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Heino Henke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/11/28
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2012/09/06
Release Date:2012/11/28
Tag:Antennen; Elekromagnetische Felder; Filter; Metamaterialien; Mikrowellen
antennas; electromagnetic fields; filters; metamaterials; microwaves
Institutes:Institut für Hochfrequenztechnik- und Halbleiter-Systemtechnologien
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)