Transmission-Line Metamaterials, Bianisotropy, and Transmission-Line Bianisotropy

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-12-21
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
104 + app. 90
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 192/2015
Abstract
Electromagnetic metamaterials are artificial composite materials which possess exotic and advantageous properties not attainable with natural materials. This thesis covers two notable classes of metamaterials: transmission-line metamaterials and bianisotropic media. While metamaterials are most commonly realized as bulk media consisting of small resonant inclusions, transmission-line structures offer an alternative, low-dispersion and low-loss way for realizing them. Bianisotropic media, on the other hand, are typically bulk metamaterials in which the electric and magnetic responses are coupled in a unique way. This thesis not only studies these two topics individually but also brings together these two as of yet disconnected research areas. In the first part of the thesis, the application of transmission-line metamaterials for realizing practical microwave devices is discussed. An electromagnetic cloaking device based on transmission-line networks is designed and manufactured and its operation in a practical antenna blockage scenario is confirmed experimentally. Moreover, two antenna designs based on such a cloak are proposed and studied numerically and experimentally. The proposed antennas have the special property of operating as a cloak at a higher frequency while simultaneously working efficiently as an antenna at a lower one. A flat, inhomogeneous microwave lens design which uses a set of periodically loaded one-dimensional transmission lines for manipulating the wave phase is suggested and studied numerically and experimentally. Finally, two horn-like antennas based on skewed transmission-line networks are proposed. It is confirmed that integrating such a network into a horn antenna can significantly improve its directivity. In the second part, bianisotropic media (or to be precise, their constituent bianisotropic particles) are studied analytically and numerically in relation to the problem of eliminating electromagnetic scattering. It is shown that bianisotropy can provide additional functionality and flexibility for controlling scattering. Zero backward, zero forward or zero total scattering are all possible with specific particle designs though some solutions may require active elements. In the final part, a novel idea of realizing bianisotropic media using periodically loaded transmission lines is investigated. Specifically, two classes of bianisotropic media, omega media and moving media, are studied. It is shown that the omega coupling is related to the asymmetry of the loading circuit, while the moving medium coupling is related to the nonreciprocity of the circuit. Example unit cells of both cases are presented and studied analytically and experimentally. The results have implications not only to the design of transmission-line metamaterials but also to the theory of material parameter extraction and modeling physically moving magnetodielectric media in a laboratory environment.

Sähkömagneettiset metamateriaalit ovat keinotekoisia komposiittimateriaaleja, jotka omaavat eksoottisia ja edullisia ominaisuuksia, jollaisia ei löydy luonnollisilta materiaaleilta. Tämä väitöskirja kattaa metamateriaalien kaksi merkittävää alaluokkaa: siirtojohtometamateriaalit ja bianisotrooppiset väliaineet. Siinä missä yleensä metamateriaalit koostuvat pienistä resonoivista volumetrisista rakenneyksiköistä, siirtojohtorakenteet tarjoavat vähädispersioisen ja vähähäviöisen vaihtoehtoisen tavan metamateriaalien toteuttamiseksi. Bianisotrooppiset väliaineet ovat metamateriaaleja, joiden sähköiset ja magneettiset vasteet ovat kytköksissä toisiinsa ainutlaatuisella tavalla. Väitöskirja tutkii näitä kahta aihetta erikseen sekä pyrkii yhdistämään nämä aiemmin täysin erilliset tutkimussuunnat. Väitöskirjan ensimmäisessä osassa käsitellään siirtojohtometamateriaalien käyttöä käytännöllisissä mikroaaltolaitteissa. Siirtojohtoverkkoihin perustuva sähkömagneettinen verhoamislaite suunnitellaan ja valmistetaan ja sen toiminta käytännöllisessä antenniskenaariossa todennetaan kokeellisesti. Lisäksi näytetään, miten verhoamislaitetta voidaan käyttää pienin muokkauksin antennina. Tällaiset antennit pystyvät toimimaan yhtäaikaisesti antennina ja verhoamislaitteena eri taajuuksilla. Tasaprofiilinen epähomogeeninen mikroaaltolinssi, joka perustuu periodisesti kuormitettuihin siirtojohtoihin, esitellään ja sen toimintaa tutkitaan numeerisesti ja kokeellisesti. Lopuksi esitellään kaksi uudenlaista torvimaista antennia, jotka perustuvat vääristyneisiin siirtojohtoverkkoihin. Siirtojohtoverkkojen integroimisen torviantenniin todetaan merkittävästi parantavan antennin suuntaavuutta. Väitöskirjan toisessa osassa on aiheena bianisotrooppiset väliaineet tai tarkalleen ottaen niiden pienet rakenneyksiköt, bianisotrooppiset partikkelit, joita tutkitaan analyyttisesti ja numeerisesti erityisesti sähkömagneettisen sironnan eliminoimisongelmiin liittyen. Nähdään, että bianisotropia voi tarjota ylimääräistä toiminallisuutta ja/tai joustavuutta sironnan kontrolloimiseksi. Sironta voidaan eliminoida etu- tai takasuuntaan tai jopa kokonaan kunhan partikkeli suunnitellaan oikein, mahdollisesti aktiivisia elementtejä hyödyntäen. Väitöskirjan viimeisessä osassa käsitellään bianisotrooppisten väliaineiden toteuttamista periodisesti kuormitettuja siirtojohtoja käyttäen. Tutkimuksen kohteena on kaksi bianisotrooppisen väliaineen aliluokkaa: omega-väliaine ja liikkuva väliaine. Havaitaan, että omega-tyypin kytkeytyminen liittyy kuormituspiirin epäsymmetriaan, kun taas liikkuvan väliaineen kaltainen kytkeytyminen liittyy piirin epäresiprookkisuuteen. Molemmista kytkeytymistyypeistä esitellään esimerkkikuormituspiirejä, joiden toimintaa tutkitaan analyyttisesti ja kokeellisesti. Tuloksia voidaan hyödyntää paitsi metamateriaalien suunnittelussa niin myös materiaaliparametrien ekstraktoinnissa ja liikkuvan väliaineen kokeellisessa mallintamisessa.
Description
Supervising professor
Tretyakov, Sergei, Prof., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
Thesis advisor
Alitalo, Pekka, Dr.
Keywords
metamaterials, transmission lines, bianisotropy, cloaking, antennas, scattering, metamateriaalit, siirtojohdot, bianisotropia, verhoaminen, antennit, sironta
Other note
Parts
  • [Publication 1]: J. Vehmas, P. Alitalo, and S.A. Tretyakov, “Experimental demonstration of antenna blockage reduction with a transmission-line cloak,” IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 6, no. 7, pp. 830–834, May 2012.
  • [Publication 2]: J. Vehmas, P. Alitalo, and S.A. Tretyakov, “Transmission-line cloak as an antenna,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 10, pp. 1594–1597, December 2011.
    DOI: 10.1109/LAWP.2011.2179000 View at publisher
  • [Publication 3]: J. Vehmas, P. Alitalo, and S. Tretyakov, “Low-reflection inhomogeneous microwave lens based on loaded transmission lines,” In Proceedings of the 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Gothenburg, Sweden, pp. 1654–1658, April 2013
  • [Publication 4]: J. Vehmas, P. Alitalo, and S. Tretyakov, “Inhomogeneous microwave lens based on periodically loaded transmission lines,” Progress In Electromagnetics Research, vol. 148, pp. 141–150, July 2014.
    DOI: 10.2528/PIER14051301 View at publisher
  • [Publication 5]: J. Vehmas, “Novel horn-like antenna based on skewed transmission line lattices,” In Proceedings of the 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Lisbon, Portugal, pp. 1–5, April 2015
  • [Publication 6]: J. Vehmas, Y. Ra’di, A. Karilainen, and S.A. Tretyakov, “Eliminating electromagnetic scattering from small particles,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 7, pp. 3747–3756, July 2013.
    DOI: 10.1109/TAP.2013.2256299 View at publisher
  • [Publication 7]: J. Vehmas, S. Hrabar, and S. Tretyakov, “Omega transmission lines with applications to effective medium models of metamaterials,” Journal of Applied Physics, vol. 115, p. 134905, April 2014.
    DOI: 10.1063/1.4869655 View at publisher
  • [Publication 8]: J. Vehmas, S. Hrabar, and S. Tretyakov, “Transmission lines emulating moving media,” New Journal of Physics, vol. 16, no. 9, p. 093065, September 2014.
    DOI: 10.1088/1367-2630/16/9/093065 View at publisher
Citation