Omega Transmission Lines

In this paper, we show how bi-anisotropic media with omega-type response can be realized using periodically loaded transmission lines. General conditions for the needed unit cell circuit block are derived. Also, an implementation is shown and analyzed.Comment: 3 pages, 3 figures, accepted to Metamaterials 201

Impedance-matched microwave lens

A microwave lens with highly reduced reflectance, as compared to conventional dielectric lenses, is proposed. The lens is based on two-dimensional or three-dimensional transmission-line networks that can be designed to have an effective refractive index larger than one, while having almost perfect impedance matching with free space. The design principles are presented and an example lens is studied using commercial simulation software.Comment: 11 pages, 8 figure

Designing and Measuring a Novel Electromagnetic Transmission-Line Cloak for Microwave Frequencies

Siirtojohtoverkkoja hyödyntävät "näkymättömyysviitat" tarjoavat suhteellisen yksinkertaisen mutta kuitenkin laajakaistaisen ratkaisun metalliobjektin verhoamiseksi sähkömagneettisilta aalloilta. Tämän diplomityön tavoitteena on suunnitella ja valmistaa uudenlainen siirtojohtoihin perustuva rakenne kappaleiden verhoamiseksi mikroaalloilta ja suorittaa vapaan tilan mittauksia rakenteella kaiuttomassa huoneessa. Painopisteinä suunnittelussa ovat rakenteen valmistamisen helppous ja käytännöllisyys. Työssä osoitetaan niin numeerisesti kuin myös kokeellisesti, että suunnitellun rakenteen avulla pystytään tehokkaasti piilottamaan verkkomainen metalliesine melko laajalla taajuuskaistalla useassa eri mittaustapauksessa. Simulaatio- ja mittaustulokset ovat hyvin yhteneväisiä. Työssä näytetään myös tietokonesimulaatioita hyödyntäen, miten kyseistä rakennetta voidaan muokata siten, että sitä voidaan käyttää samanaikaisesti myös antennina alhaisemmilla taajuuksilla.Transmission-line cloaking provides a simple yet wide-band solution for cloaking an object. The objective of this thesis is to design, manufacture and conduct free-space measurements in an anechoic chamber on a novel transmission-line cloak working at microwave frequencies. Special emphasis on the design is placed on ease of manufacture and practicality. It is shown both numerically and experimentally that the designed transmission-line cloak is capable of hiding a mesh-like metal object placed inside it from the incident wave in a variety of different scenarios and in a fairly wide bandwidth. Also, the agreement between simulations and measurements is good. Furthermore, the concept of using the cloak as an antenna at lower frequencies is introduced, and some preliminary proof-of-concept simulation results are shown

Energy Models and Scenarios in the Era of Climate Change : Briefing Report

This report “Energy models and scenarios in the era of climate change” has aimed to improve understanding on how energy models and scenarios are used and deployed, how dominant scenarios and future forecast can be challenged, in order to build up of capacity for the development of alternative energy scenarios. In relation to discussions about energy and climate change, the report summarizes experiences and benefits from past energy policy research in the Mekong region in Southeast Asia, Eastern Africa and Nordic countries. The report is a final report to the research project Access to Sustainable Energy for All

Electromagnetic Energy Sink

The ideal black body fully absorbs all incident rays, that is, all propagating waves created by arbitrary sources. The known idealized realization of a black body is the perfectly matched layer (PML), widely used in numerical electromagnetics. However, ideal black bodies and PMLs do not interact with evanescent fields existing near any finite-size source, and the energy stored in these fields cannot be harvested. Here we introduce the concept of the ideal conjugate matched layer (CML), which fully absorbs energy of both propagating and evanescent fields of sources acting as an ideal sink for electromagnetic energy. Conjugate matched absorbers have exciting application potentials, as resonant attractors of electromagnetic energy into the absorber volume. We derive the conditions on the constitutive parameters of media which can serve as CML materials, numerically study the performance of planar and cylindrical CML and discuss possible realizations of such materials as metal-dielectric composites.Comment: 17 pages, 15 figure

A microwave transmission-line network guiding electromagnetic fields through a dense array of metallic objects

We present measurements of a transmission-line network, designed for cloaking applications in the microwave region. The network is used for channelling microwave energy through an electrically dense array of metal objects, which is basically impenetrable to the impinging electromagnetic radiation. With the designed transmission-line network the waves emitted by a source placed in an air-filled waveguide, are coupled into the network and guided through the array of metallic objects. Our goal is to illustrate the simple manufacturing, assembly, and the general feasibility of these types of cloaking devices.Comment: 6 pages, 6 figure

Siirtojohtometamateriaalit, bianisotropia ja bianisotropia siirtojohdoissa

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

Transmission Lines Emulating Moving Media

Peer reviewe