Magnetic materials and responses in antenna applications

Abstract

Electric and magnetic fields have been known to be a manifestation of the same physical phenomenon for almost two hundred years, but some aspects of electromagnetism are not in balance in nature around us. We are faced with restrictions due to lack of real magnetic charges, currents, and conductors. However, it has turned out that virtual magnetic currents and conductors and magnetic materials can be engineered and used in a variety of applications, antennas being one amongst them. This doctoral thesis focuses on magnetic materials and artificially created magnetic responses in antenna applications. The thesis is divided into three parts concerning antennas in which the magnetic part of Maxwell's equations plays a key role. The common goal in each of these parts is to improve the properties of the antennas in question or to conjure new types of antennas. The first part of the thesis deals with antenna miniaturisation using magnetic materials. A new method to determine the optimal material for a given small resonant antenna is proposed. The method is based on identifying the radiating field (equivalent current) of the antenna. A mobile-terminal antenna is miniaturised with dielectric and magneto-dielectric (both dielectric and magnetic responses) materials. Guidelines for an objective comparison of filling materials in antenna miniaturisation are presented. In the second part the antenna in question is based on a mushroom type high-impedance surface (HIS). The modes of an HIS are studied by using an analytical model for oblique incidence angles of the incident plane wave. Two of the resonance modes responsible for the HIS behaviour in the infinitely-sized surface are identified and used as a basis for designing a finite antenna with two orthogonal radiation patterns. A helical antenna geometry based on wires and loops is studied in the third part. By using a combination of short electric dipoles and loops acting as magnetic elementary dipoles, a Huygens' source antenna for circular polarisation (CP) from two helices is designed. Huygens' source antenna has a unidirectional radiation pattern and perfect polarisation purity: In theory it can radiate perfect CP in every direction, making it, for example, an attractive receiving antenna for space-to-Earth communications. The geometry of the antenna has also a peculiar effect when an incoming wave is scattered from the object, as the scattered field is directed away from the object when the incoming field arrives from certain directions.

Sähkö- ja magneettikentän on tiedetty olevan saman fysikaalisen ilmentymän osia jo kohta kahdensadan vuoden ajan, mutta sähkömagnetismin jotkut puolet eivät ole tasapainossa ympärillämme luonnossa, sillä magneettisten varausten, virtojen ja johteiden puute aiheuttaa rajoituksia tietyissä sovelluksissa. Näennäisiä magneettisia virtoja ja johteita ja magneettisia materiaaleja voidaan tuottaa keinotekoisesti ja käyttää monissa sovelluksissa, joista yksi on antennit. Tämä väitöskirja käsittelee magneettisia materiaaleja ja keinotekoisesti luotuja magneettisia vasteita antennisovelluksissa. Väitöskirja on jaettu kolmeen antenneja käsittelevään osaan, joissa Maxwellin yhtälöiden magneettinen puoli on avainroolissa. Yhteinen päämäärä näissä jokaisessa osassa on parantaa käsiteltävän antennin ominaisuuksia tai kehittää uudentyyppisiä antenneja. Ensimmäinen osa käsittelee antennien miniatyrisointia magneettisia materiaaleja käyttäen. Uutta menetelmää ehdotetaan selvittämään optimaalinen materiaali pienelle resonoivalle antennille. Tämä menetelmä perustuu antennin säteilevän kentän eli ekvivalenttisen pintavirran tunnistamiseen. Matkapuhelinantennin miniatyrisointia testataan dielektrisellä sekä magnetodielektrisellä (sekä dielektrinen että magneettinen vaste) materiaaleilla. Materiaalien objektiiviseen vertailuun esitetään suosituksia. Toisessa osassa kyseessä oleva antenni perustuu korkeaimpedanssipintaan, jonka moodeja tutkitaan käyttämällä tasoaallon epäsuorille tulokulmille kehitettyä analyyttistä mallia. Kaksi impedanssipinnan toiminnan kannalta olennaista resonanssimoodia tunnistetaan, ja niitä käytetään perustana äärellisen kokoiselle antennille, joka säteilee kahdella ortogonaalisella säteilykuviolla. Kolmannessa osassa tutkitaan suoriin metallilankoihin ja silmukoihin perustuvaa spiraaliantennia. Kahdesta spiraalista muodostetaan ympyräpolarisoitu Huygensinlähdeantenni yhdistämällä lyhyitä sähködipoleita ja pieniä silmukoita, magneettidipoleita. Huygensinlähdeantennilla on yksisuuntainen säteilykuvio sekä täydellinen polarisaatiopuhtaus, sillä teoriassa se säteilee ympyräpolarisaatiota joka suuntaan ollen näin kiinnostava vastaanottoantenni esimerkiksi satelliittitietoliikennettä varten. Antennin muoto aiheuttaa myös mielenkiintoisen ilmiön siitä sironneeseen tasoaaltoon: sironnut kenttä suuntautuu pois aallon tulosuunnasta tietyillä tulokulmilla.