Artificial electromagnetic composite structures in selected microwave applications

Abstract

Possible performance enhancement of selected microwave applications is studied using artificial electromagnetic composite structures. The following definition is adopted for artificial electromagnetic composites: If we combine two or more materials (e.g., embed metal inclusions in a dielectric matrix) to produce another material (effectively behaving as another dielectric or artificial magnetic material), this material is an artificial electromagnetic composite. By varying the inclusions and their position relative to each other it is possible to synthesize a wide variety of macroscopic material properties. Even properties that do not exist in the class of "conventional" or "natural" materials can be achieved with sophisticated design methods. This extended range of available material characteristics, or the possibility to synthesize "conventional characteristics" with more simple and cheap means, offers a new design dimension for microwave engineers.

In this thesis the focus lies in two subclasses of artificial electromagnetic composites: 1) Artificial magnetic composites; 2) Artificial dielectric composites. Most of the artificial magnetic composites considered in this work consist of periodically arranged, electrically small broken loops. The circulating currents induced to a large set of inclusions give rise to macroscopic effective permeability that exceeds unity under proper circumstances. Fundamental properties of artificial magnetic composites are studied, and the possibilities to utilize these composites as microstrip antenna substrates are explored. The obtained results indicate that artificial magnetic substrates containing only non-magnetic constituents offer no advantages in antenna miniaturization.

Artificial dielectric composites considered in this work are implemented using periodical lattices of thin conducting wires, possibly loaded with a reactive distributed impedance. The main features of so called wire medium and loaded wire medium are reviewed. Later such composites are used as artificial material for a beam shaping element in base station antenna applications. We also study plane-wave transmission through finite thickness slabs implemented using a periodical arrangement of metal wires and broken loops, and extend the vector circuit theory, previously introduced for isotropic and chiral slabs, to uniaxial and spatially dispersive magneto-dielectric slabs. Finally, the recently proposed theory of sub-wavelength field channeling is experimentally validated.

Tässä työssä tutkitaan eräiden mikroaaltosovellusten toiminnan parantamista hyödyntäen keinotekoisia sähkömagneettisia komposiittimateriaaleja. Työssä omaksutaan seuraava määritelmä keinotekoisille sähkömagneettisille komposiiteille: Jos yhdistetään kaksi materiaalia (esim. sekoitetaan metallikappaleita vaahtomuoviin) tarkoituksena aikaansaada uusi materiaali (joka toimii tehollisesti uudenlaisena dielektrisenä tai keinotekoisena magneettisena materiaalina), tämä uusi materiaali on keinotekoinen sähkömagneettinen komposiittimateriaali. Vaihtamalla sekoitettavia kappaleita ja niiden keskinäistä sijaintia on mahdollista syntetisoida laaja kirjo makroskooppisia materiaaliominaisuuksia. On jopa mahdollista aikaansaada materiaaliominaisuuksia, joita ei tavata nk. tavallisiksi miellettävien materiaalien joukosta. Tämä laajennettu materiaaliominaisuuksien kirjo, sekä mahdollisuus totetuttaa "tavallisia" ominaisuuksia helpommin ja halvemmin, tarjoaa tärkeän uuden sunnitteludimension mikroaaltoinsinööreille.

Työssä keskitytään kahteen keinotekoisten sähkömagneettisten komposiittimateriaalien alakategoriaan: 1) Keinotekoisiin magneettisiin komposiitteihin; 2) Keinotekoisiin dielektrisiin komposiitteihin. Useimmat tässä työssä käsiteltävät keinotekoiset magneettiset komposiitit koostuvat periodisesti asetetuista, sähköisesti pienistä metallisilmukoista. Suuressa joukossa silmukoita kiertävät virrat saavat aikaan tehollisen permeabiliteetin, joka voi olla suurempi kuin yksi. Työssä tutkitaan keinotekoisten magneettien perusominaisuuksia, sekä mahdollisuuksia hyödyntää em. komposiitteja substraatteina mikroliuska-antenneille. Väitöskirjatyön tulokset osoittavat, että pelkästään metallisilmukoista koostuvat substraatit eivät tarjoa etuja antennien miniaturisoinnissa.

Työssä käsiteltävät keinotekoiset dielektriset komposiitit toteutetaan muodostamalla periodinen hilarakenne ohuista metallilangoista. Langat voidaan myös kuormata tietyllä jakautuneella impedanssilla. Niin kutsutun lankahilarakenteen (wire medium) työn kannalta tärkeimmät ominaisuudet esitellään. Myöhemmin em. komposiitteja käytetään keinotekoisena rakennusmateriaalina tukiasema-antennien keilanmuokkauselementissä. Työssä tutkitaan myös tasoaallon etenemistä periodisesti asetettujen metallilankojen ja -silmukoiden läpi yleistämällä aikaisemmin esitetty vektoripiiriteoria uniaksiaalisille magneto-dielektrisille kerroksille. Lopuksi työssä todistetaan kokeellisesti hiljattain esitetty sähkömagneettisen lähikentän erittäin tarkkojen yksityiskohtien kanavoitumisperiaate.