Artificial electromagnetic composite structures in selected microwave applications
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2007-03-30
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
76, [78]
Series
Helsinki University of Technology Radio Laboratory publications. S, 285
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.Description
Keywords
broken loop, antenna miniaturization, wire medium, beam shaping, vector circuit, near field channeling, antennien miniaturisointi, lankahilasto, säteilykeilan muokkaus, vektoripiiri, lähikentän kanavoituminen
Other note
Parts
- S. Maslovski, P. Ikonen, I. Kolmakov, S. Tretyakov, and M. Kaunisto, Artificial magnetic materials based on the new magnetic particle: Metasolenoid, in Progress in Electromagnetics Research, PIER, EMW Publishing, Cambridge, USA, vol. 54, pp. 61-81, 2005. [article1.pdf] © 2005 EMW Publishing. By permission.
- P. M. T. Ikonen and S. A. Tretyakov, Determination of generalized permeability function and field energy density in artificial magnetics using the equivalent-circuit method, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 55, no. 1, pp. 92-99, 2007. [article2.pdf] © 2007 IEEE. By permission.
- P. M. T. Ikonen, S. I. Maslovski, C. R. Simovski, and S. A. Tretyakov, On artificial magnetodielectric loading for improving the impedance bandwidth properties of microstrip antennas, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, no. 6, pp. 1654-1662, 2006. [article3.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
- P. M. T. Ikonen, K. N. Rozanov, A. V. Osipov, P. Alitalo, and S. A. Tretyakov, Magnetodielectric substrates in antenna miniaturization: Potential and limitations, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, no. 11, pp. 3391-3399, 2006. [article4.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
- P. Ikonen, C. Simovski, and S. Tretyakov, Compact directive antennas with a wire-medium artificial lens, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 43, no. 6, pp. 467-469, 2004.
- P. Ikonen, M. Kärkkäinen, C. Simovski, P. Belov, and S. Tretyakov, Light-weight base station antenna with artificial wire medium lens, IEE Proceedings - Microwaves, Antennas and Propagation, vol. 153, no. 2, pp. 163-170, 2006. [article6.pdf] © 2006 The Institution of Engineering and Technology (IET). By permission.
- P. Ikonen, M. Lapine, I. Nefedov, and S. Tretyakov, Vector circuit theory for spatially dispersive uniaxial magneto-dielectric slabs, in Progress in Electromagnetics Research, PIER, EMW Publishing, Cambridge, USA, vol. 63, pp. 279-294, 2006. [article7.pdf] © 2006 EMW Publishing. By permission.
- P. Ikonen, P. Belov, C. Simovski, and S. Maslovski, Experimental demonstration of subwavelength field channeling at microwave frequencies using a capacitively loaded wire medium, Physical Review B, vol. 73, 073102, 2006. [article8.pdf] © 2006 American Physical Society. By permission.
