Anisotropic Artificial Substrates for Microwave Applications

RÉSUMÉ Les matériaux anisotropes possèdent des propriétés électromagnétiques qui sont différentes dans différentes directions, ce qui résulte en des degrés de liberté supplémentaires pour la conception de dispositifs électromagnétique et mène à des applications. Certains matériaux anisotropes peuvent être trouvés dans la nature, comme les matériaux ferrimagnétiques, alors que d'autres peuvent être conçus artificiellement pour des applications spécifiques. Ces matériaux artificiels sont des structures composites qui sont faites d'implants métalliques insérés dans un médium hôte. Ces structures peuvent être considérées comme des matériaux effectifs nouveaux et peuvent posséder des propriétés que l'on ne retrouve pas dans la nature comme un indice de réfraction négatif, une chiralité ou une bi-anisotropie; ils sont donc appelés métamatériaux. Dû à la grande diversité d'implants qu'il est possible de concevoir, ces matériaux sont prometteurs pour la conception de dispositifs uniques et novateurs comme de nouvelles antennes, des antennes miniaturisées, des dispositifs non-réciproques, des analyseurs de signaux analogiques et des dispositifs de génie biomédical. Puisque dans les matériaux artificiels l'effet des implants dans le médium hôte n'est pas le même dans toutes les directions, ces matériaux ont la plupart du temps des caractéristiques anisotropes qui peuvent être contrôlées par les propriétés des implants. Cette propriété amène des degrés de liberté supplémentaires dans la conception de dispositifs nouveaux. L'effet d'anisotropie dans les structures artificielles est plus évident dans la plupart des substrats artificiels anisotropes à cause de leur structure planaire 2D. Une analyse électromagnétique rigoureuse des substrats artificiels anisotropes est requise afin de mieux comprendre leurs propriétés, ce qui est essentiel pour proposer des applications. L'insuffisance de l'analyse disponible dans la littérature a servi de motivation pour cette thèse dont l'objectif est d'effectuer l'analyse électromagnétique rigoureuse de substrats artificiels anisotropes dans le but d'explorer des applications. Afin de mieux comprendre les propriétés de l'anisotropie des substrats artificiels, leur méthode d'analyse et leurs applications, il peut être utile de d'abord mieux comprendre l'anisotropie de substrats naturels existant comme les matériaux ferrimagnétiques. Cette approche peut aussi mener à de nouvelles applications de ces matériaux anisotropes naturels. De plus, afin d'étudier certaines propriétés et applications des substrats anisotropes, certains aspects mal compris des matériaux isotropes doivent tout d'abord être éclaircis. Basée sur les objectifs et la méthodologie décrits ci-haut, la présente thèse contribue les réalisations et avancements suivants au domaine du génie micro-ondes. Le conducteur électromagnétique parfait (PEMC) comme condition frontière est un concept électromagnétique nouveau et fondamental. C'est une description généralisée des conditions aux frontières électromagnétiques incluant le conducteur électrique parfait (PEC) et le conducteur magnétique parfait (PMC). De par ses propriétés fondamentales, le PEMC a le potentiel de rendre possible plusieurs applications électromagnétiques. Cependant, jusqu'à maintenant le concept de condition frontière PEMC était demeuré un concept théorique et n'avait jamais été réalisé en pratique.----------ABSTRACT Anisotropic materials exhibit different electromagnetic properties in different directions and therefore they provide some degrees of freedom in the design of electromagnetic devices and enable many applications. Some kinds of anisotropic materials are available in the nature such as ferrimagnetic materials, while many others can be artificially designed for specific applications. The artificial materials are composite structures made of sub-wavelength metallic implants in a host medium, which constitute novel effective materials. These materials may exhibit properties not readily available in the nature, such as negative refractive index, chirality or bi-anisotropy, and therefore are called metamaterials. Due to the diversity of their possible implants, they have a great potential in unique and novel components, such as specific antennas, miniaturized antennas, non-reciprocal devices, analog signal processors, and biomedical engineering devices. Since in most of the artificial materials, the effect of the implants in the host medium is not the same in all the directions, these materials exhibit anisotropic characteristics which can be controlled by the properties of the implant. This characteristic provides some additional degrees of freedom in the design of novel devices. The anisotropy effect in the artificial structures is more evident in most of the anisotropic artificial substrates due to their 2D planar structure. Rigorous electromagnetic analysis of the anisotropic artificial substrates is required for gaining a better understanding of their properties which is essential for proposing novel applications. Insufficient available analysis in the literature has motivated this thesis whose objective is to perform rigorous electromagnetic analysis of the anisotropic artificial substrates towards exploring their applications. To acquire more insight into the anisotropic properties of artificial substrates, their analysis method, and their applications, it is useful to first better understand anisotropy of existing natural substrates such as ferrimagnetic materials. This approach may also lead to novel applications of the natural anisotropic materials. In addition, to investigating some of properties and applications of the anisotropic substrates, foremost we may need to clarify some unclear aspects regarding the isotropic materials. Based on the objectives and methodology of the thesis which were explained above, this thesis contributes to the following achievements and advances in microwave engineering. The perfect electromagnetic conductor (PEMC) boundary is a novel fundamental electromagnetic concept. It is a generalized description of the electromagnetic boundary conditions including the perfect electric conductor (PEC) and the perfect magnetic conductor (PMC) and due to its fundamental properties, it has the potential of enabling several electromagnetic applications. However, the PEMC boundaries concept had remained at the theoretical level and has not been practically realized. Therefore, motivated by the importance of this electromagnetic fundamental concept and its potential applications, the first contribution of this thesis is focused on the practical implementation of the PEMC boundaries by exploiting Faraday rotation principle and ground reflection in the ferrite materials which are intrinsically anisotropic. As a result, this thesis reports the first practical approach for the realization of PEMC boundaries

Anisotropic eta-substrate conical-beam leaky-wave antenna

A broadband and low beam squint anisotropic magneto-dielectric 2D leaky-wave antenna excited by a vertical electric source is presented. A comparison of the TM dis- persion behavior of the structure for Drude/Lorentz dispersive anisotropic and an isotropic non-dispersive grounded slabs is performed. The isotropic slab is restricted to leaky-wave pointing angles near endfire with very low radiation performance due to the inherent endfire radiation null caused by the slab. As a result, its radiation is dominated by the space-wave, which leads to low directivity and beam scanning incapability. In contrast, the anisotropic meta-substrate provides a highly directive and efficient 2D leaky-wave radiation with great design flexibility. At its lower frequencies, it provides narrow-band full-space conical-beam scanning while at higher frequencies, it enables a designable angle fixed-beam with low-beam squint radiation. This antenna may find applications in broadband point-to-point communication and radar systems.Ministerio de Educación y Ciencia, Ref. TEC2007-67630-C03-02. Fundación Séneca, Ref. 08833/PI/08

Bandwidth enhancement and beam squint reduction of leaky modes in a uniaxially anisotropic meta-substrate

This paper presents a rigorous spectral TL approach analysis of meta-substrates, modeled by anisotropic mediums with constitutive parameters built from tensors.Ministerio de Educación y Ciencia, Ref. TEC2007-67630-C03-02. Fundación Séneca, Ref. 08833/PI/08

Analysis of the radiation properties of a point source on a uniaxially anisotropic meta-substrate and the application to a high-efficiency antenna

The radiation efficiency of a point electric source on a loss-less uniaxially anisotropic meta-substrate is computed by the mixed potential integral equation technique. For this purpose, the multilayered Green's functions of the structure are derived from the spectral domain transmission line model of the medium. The efficiency of the antenna is compared for different permittivities and permeabilities of the meta-substrate with fixed TE and TM wave numbers. It is shown that at certain frequencies the radiation efficiency is enhanced as the ratio of the permeability over permittivity is increased. This suggests that an antenna on a mushroom type meta-substrate or a meta-substrate which is constructed from the stacked split ring resonators (SRR) in the plane of the substrate may exhibit a high radiation efficiency close to the resonant frequencies of the metallic loops, as compared to a conventional substrate.Ministerio de Educación y Ciencia, Ref. TEC2007-67630-C03-02. Fundación Séneca, Ref. 08833/PI/08

Broadband and Low Beam Squint Leaky-Wave Radiation from a Uniaxially Anisotropic Grounded Slab

The behavior of leaky and surface modes in uniaxially anisotropic grounded slabs is investigated. First, a transverse magnetic and transverse electric modal parametric analysis of the structure is performed, based on dispersion relations, comparing the non-dispersive and Drude/Lorentz dispersive anisotropic slabs with an isotropic non-dispersive slab. This analysis reveals that in the case of the isotropic slab, the leaky wave pointing angle is restricted to the end-fire region. In contrast, it is shown, for the first time, that the proposed anisotropic dispersive grounded slab structure provides efficient (in particular highly directive) leaky wave radiation with a high design flexibility. Toward its lower frequencies, the dominant leaky mode provides full-space conical-beam scanning. At higher frequencies, it provides fixed-beam radiation (at a designable angle) with very low beam squint. A vertical dipole source is placed inside the slab to excite the relevant leaky wave mode. The radiation characteristics obtained for this structure confirms the novel low-beam squint and high-directivity operation of the dominant leaky mode. Further validation is included using the commercial software tool CST. The structure could be used to conceive antennas either for conical beam scanning (lower-frequency range) or for point-to-point communication and radar systems (higher-frequency range).Ministerio de Educación y Ciencia, Ref. TEC2010-21520-C04-0

Estudio de la Ingeniería de Dispersión en Microondas empleando Líneas de Trasmisión basadas en Metamateriales CRLH

En este artículo se presenta un estudio sobre la Ingeniería de la Dispersión en el dominio de las microondas. Para ello, se emplean líneas de transmisión basadas en metamateriales, que proporcionan un comportamiento dispersivo en un gran ancho de banda. Los dispositivos o fenómenos que se presentan son tanto guiados (usando líneas de transmisión) como radiados (empleando las estructuras metamateriales como antenas leaky-wave). A diferencia del estudio en régimen armónico que se suele realizar sobre los metamateriales, todos los novedosos efectos presentados son de banda ancha, listos para implementarse en los recientes sistemas de comunicaciones UWB.Ministerio de Educación y Ciencia y (Fundación Séneca de la Región de Murcia). Código: TEC2007-67630-C03-02 y beca FPU-AP2006-015, y (08833/PI/08)

Filtros de microondas de una sola pieza realizados mediante fundido selectivo por láser

Este paper presenta filtros en guía de onda realizados mediante una innovativa técnica de fabricación conocida como "Selective Laser Melting" ó SLM. Se han fabricado dos tipos de filtros de quinto orden en guía de onda y con un ancho de banda de 0.9%. Ambos diseños tienen la misma respuesta en frecuencia pero diferentes geometrías internas. El segundo diseño hace uso de la libertad de geometría que ofrece esta nueva tecnología por lo que se han empleado técnicas de modelado de geometría para ayudar a reducir pérdidas. Gracias a la optimización de la geometría, es posible mejorar el factor de calidad en al menos un 15%.Asociación de Jóvenes Investigadores de Cartagena, (AJICT). Universidad Politécnica de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT, (ETSII). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, (ETSIA), Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos, Canales, y Puertos y de Ingeniería de Minas, (EICM). Fundación Séneca, Agencia Regional de Ciencia y Tecnología. Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Grupo Aquilin

Antena "leaky-wave" en guía-onda basada en metamateriales: método de análisis y diseño, y validación experimental

En este artículo se presenta una novedosa antena "leaky-wave" en guía de onda, basada en metamateriales. Para ello, la guía-onda se ha cargado con "slots" y "via-holes ", de tal forma que proporciona constantes de propagación tanto negativa como positiva, enfunción de lafrecuencia. Esta antena es capaz de modificar la dirección de la radiación en jimción de la frecuen cia de entrada, proporcionado un barrido completo del espacio. Para su análisis y diseño, se ha propuesto un método modal, combinado con condiciones de contorno de Floquet. De esta manera se consigue diseñar y analizar este tipo de antenas en cuestión de pocos minutos, evitando recurrir a herramientas de onda completa comerciales, que presentan unos tiempos de diseño de horas e incluso días. Medidas experimentales confirman el fenómeno de radiación previsto para la nueva antena, y validan la herramienta de análisis propuesta.Asociación de Jóvenes Investigadores de Cartagena, (AJICT). Universidad Politécnica de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT, (ETSII). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, (ETSIA), Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos, Canales, y Puertos y de Ingeniería de Minas, (EICM). Fundación Séneca, Agencia Regional de Ciencia y Tecnología. Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Grupo Aquilin