Artificial wire medium with antenna applications

Abstract

The ever continuing development of communications systems sets a demand for finding novel solutions to improve the existing infrastructure. The recently discovered exotic electromagnetic materials, often called as metamaterials, have opened an unexplored branch in this optimization process. Artificially engineered composite metamaterials give us the benefit to utilize materials and structures having properties not found readily in the nature. One of the most promising fields of applications benefiting out of these new materials are antennas.

In the frame of the thesis, possibility to utilize a wire lattice with compact and directive antenna applications is studied. First, the need for multi-mode base station antennas capable of beam control is motivated and some of the known solutions for controlling the beam are introduced. A brief overview of metamaterials and artificial materials is given along with some ideas on how to utilize these materials with antenna applications. The focus of the latter part of the thesis lies in the concept of the wire medium.

In the thesis it is shown that a periodical lattice of capacitively loaded wires can be interpreted as an artificial dielectric at low frequencies. This interpretation is shown to be valid even with a moderate number of lattice periods. The dispersion properties of the wire medium are presented and the radiation characteristics of a simple source inside the medium are revealed. The equivalence of a finite size wire lattice to a dielectric lens is proven to be physically sound with an in-house FDTD code modelling the dispersive dielectric lens.

An antenna structure having a mechanically switchable beam width and desired radiation characteristics is designed with numerical simulations. The geometry of the structure is justified and the behaviour is analysed. General guidelines for the design process are given and a prototype is manufactured and measured. It is shown that very well predictable and promising performance can be achieved with rather simple structure and cheap manufacturing process.

Koko ajan jatkuva tietoliikennesysteemien kehitystyö asettaa vaatimuksia uusien ratkaisujen löytämiselle infrastruktuurin parantamiseksi. Hiljattain keksityt eksoottiset sähkömagneettiset materiaalit, metamateriaalit, avaavat kokonaan uuden polun tässä optimointiprosessissa. Keinotekoisesti valmistetut komposiitti-metamateriaalit antavat mahdollisuuden hyödyntää materiaaleja ja rakenteita, joilla on luonnosta löytymättömiä ominaisuuksia. Metamateriaalien hyödyntäminen antennisovelluksissa vaikuttaa erittäin lupaavalta.

Tässä diplomityössä tutkitaan mahdollisuuksia hyödyntää lankahilarakennetta kompakteissa ja suuntaavissa antennisovelluksissa. Multi-mode tukiasema-antennien käyttötarve perustellaan ja joitakin tunnettuja säteilykeilan kontrollimekanismeja esitellään. Metamateriaalien ja keinotekoisten materiaalien ominaisuudet, sekä em. materiaalien hyödyntäminen antennisovelluksissa esitellään lyhyesti. Loppuosa diplomityöstä keskittyy lankahilarakenteen käsitteeseen.

Tässä diplomityössä osoitetaan, että kapasitiivisesti kuormatuista metallilangoista muodostettua periodista hilastoa voidaan käsitellä keinotekoisena dielektrisenä materiaalina alhaisilla taajuuksilla. Tämä tulkinta todistetaan paikkansapitäväksi myös äärellisten kokoisten lankahilojen tapauksessa. Lankahilarakenteen dispersiivinen käyttäytyminen esitellään ja hilan sisälle asetetun yksinkertaisen säteilijän säteilyominaisuuksia tarkastellaan. Vastaavuus lankahilarakenteen ja dielektrisen linssin välillä todistetaan paikkansapitäväksi itse kehitetyn FDTD koodin avulla.

Numeeristen simulaatioiden avulla suunnitellaan antennirakenne, jolla on mekaanisesti kytkettävä keilanleveys ja halutun kaltaiset säteilyominaisuudet. Rakenteen geometria perustellaan ja käyttäytyminen analysoidaan. Diplomityössä annetaan yleisiä näkökulmia suunnittelun helpottamiseksi, sekä rakennetaan ja mitataan antenniprototyyppi. Osoitetaan, että tarkasti ennustettavissa oleva ja hyvin lupaava toiminta voidaan aikaansaada suhteellisen yksinkertaisella rakenteella ja halvalla valmistusprosessilla.