Σχεδίαση εξελιγμένων κεραιών και διατάξεων οδήγησης ηλεκτρομαγνητικού κύματος με τη χρήση υλικών με τεχνητές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες

Abstract

The scope of the present doctoral thesis is the analysis and design of advanced antennas and novel waveguiding systems using simple material structures exhibiting articial electrical and magnetic properties. The structures under study are mainly single negative (SNG) metamaterials, which present either negative permittivity or negative magnetic permeability in a particular frequency range. The basic motivation for this work on SNG metamaterials has been their rapid growth, especially in the last decade, which resulted in the explosive emergence of a multitude of practical applications. Furthermore, the lack in the existing literature of a systematic use of non-periodic unit cell metamaterials on at monopole antennas and modern guiding structures have been a contributing factor for chosing the current thesis topic. The aformentioned unit cells, although they operate as mere resonators, nonetheless they exhibit approximately the same articial properties of their periodic form. The interaction of the radiating antenna waves with appropriately designed articial structures can lead to modication of their characteristics, in particular their operating frequency. Therefore, it is possible to design compact antennas that exhibit small electrical dimensions, at the desired resonance frequency bands. Additionally, the widespread use of MIMO antenna systems in modern telecommunications applications, to achieve increased capacity and superior quality of the wireless links, requires decoupling between the radiating elements, for their ecient operation. The SNG, metamaterial-inspired resonators are considered an excellent candidate for reduction of the unwanted electromagnetic coupling that occurs between the MIMO elements and they are capable, as it will be shown, to provide strong isolation. It must also be stressed that the congestion presented in the frequency spectrum, especially at the lower microwave region and also the increasing need for smaller telecommunications components, as well as faster data speeds in modern applications, have led to the development of integrated guiding systems at higher millimeter frequencies, the so-called substrate integrated waveguides (SIW). These systems have the advantages of the conventional metalic waveguides and their geometry is similar to typical planar transmission lines. However, the guiding of the electromagnetic waves in these devices is based on, complex in construction, vertical vias, which replace electrically the sidewalls of the equivalent conventional waveguide. The small thickness of the dielectric substrate and the great frequency of side vias, may stress mechanically the device. This thesis considers an alternative novel application of planar SNG resonators to replace the vertical connections and restrict the guided wave in the device.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση και σχεδίαση εξελιγμένων κεραιών και συστημάτων οδήγησης ηλεκτρομαγνητικού κύματος με τη χρήση απλών υλικών δομών, οι οποίες παρουσιάζουν τεχνητές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες. Οι υπό μελέτη δομές είναι κυρίως τα μονοαρνητικά μεταϋλικά, τα οποία παρουσιάζουν είτε αρνητική διηλεκτρική σταθερά, είτε αρνητική μαγνητική διαπερατότητα σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Το βασικότερο κίνητρο για την ενασχόληση με τα μονοαρνητικά μεταϋλικά υπήρξε η ραγδαία ανάπτυξή τους, κυρίως την τελευταία δεκαετία, η οποία είχε ως αποτέλεσμα την εκρηκτική εμφάνιση μιας πληθώρας πρακτικών εφαρμογών. Παράλληλα, στην αρχική επιλογή του θέματος της διατριβής συνετέλεσε η διαπίστωση της απουσίας στην υπάρχουσα βιβλιογραφία, της συστηματικής χρήσης μη περιοδικών μοναδιαίων κελιών μεταϋλικών σε επίπεδες μονοπολικές κεραίες και συστήματα οδήγησης. Τα μοναδιαία κελιά μεταϋλικών, αν και λειτουργούν ως απλές συντονιστικές μονάδες, παρόλα αυτά εμφανίζουν, εν μέρει, τις τεχνητές ιδιότητες των περιοδικών διατάξεων που συγκροτούν. Η αλληλεπίδραση των ακτινοβολούντων κυμάτων των κεραιών με κατάλληλα σχεδιασμένες τεχνητές δομές μπορεί να οδηγήσει σε μεταβολή των χαρακτηριστικών τους, κυρίως την συχνότητα λειτουργίας τους. Συνεπώς, είναι δυνατός ο σχεδιασμός συμπαγών κεραιών, οι οποίες παρουσιάζουν μικρές ηλεκτρικές διαστάσεις στις επιθυμητές ζώνες συχνοτήτων συντονισμού. Επιπρόσθετα, η ευρεία χρήση συστημάτων κεραιών MIMO σε σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, ώστε να επιτευχθεί αύξηση της χωρητικότητας και της ποιότητας των ασύρματων ζεύξεων, απαιτεί την αποσύζευξη μεταξύ των ακτινοβολούντων στοιχείων, για την αποδοτική λειτουργία τους. Οι μονοαρνητικοί, εμπνευσμένοι από τα μεταϋλικά, συντονιστές θεωρούνται άριστες δομές απόσβεσης της μη επιθυμητής ηλεκτρομαγνητικής σύζευξης που εμφανίζεται μεταξύ των στοιχείων των διατάξεων ΜΙΜΟ, και είναι σε θέση, όπως θα παρουσιαστεί, να προσφέρουν ισχυρή απομόνωση. Δεν πρέπει να λησμονηθεί ακόμα, ότι η συμφόρηση που παρουσιάζει το φάσμα συχνοτήτων στις χαμηλές μικροκυματικές περιοχές και παράλληλα η ολοένα και μεγαλύτερη ανάγκη για μικρότερου μεγέθους τηλεπικοινωνιακά συστήματα, καθώς και για μεγαλύτερες ταχύτητες δεδομένων των καναλιών ζεύξεων σε σύγχρονες εφαρμογές, έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων συστημάτων οδήγησης, των αποκαλούμενων ολοκληρωμένων κυματοδηγών υποστρώματος, σε υψηλότερες χιλιοστομετρικές συχνότητες. Τα συστήματα αυτά διαθέτουν τα πλεονεκτήματα των συμβατικών κυματοδηγών ενώ η γεωμετρία τους είναι παρόμοια των κλασικών επίπεδων γραμμών μεταφοράς. Παρόλα αυτά, η οδήγηση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος σε αυτές τις διατάξεις, βασίζεται σε πολύπλοκες κατασκευαστικά, πλευρικές κατακόρυφες συνδέσεις (vias) μεταξύ των επιπέδων του διηλεκτρικού υποστρώματος, οι οποίες αντικαθιστούν ηλεκτρικά τα πλευρικά τοιχώματα του ισοδύναμου κυματοδηγού. Το μικρό πάχος του διηλεκτρικού υποστρώματος, καθώς και η μεγάλη περιοδικότητα των πλευρικών συνδέσεων είναι δυνατό να εμφανίσουν μηχανικές καταπονήσεις στη διάταξη. Στην παρούσα διατριβή θα μελετηθεί μια εναλλακτική πρότυπη εφαρμογή, ειδικά σχεδιασμένων επίπεδων μεταϋλικών συντονιστών, για την αντικατάσταση των κατακόρυφων συνδέσεων και τον περιορισμό του οδηγούμενου κύματος στη διάταξη.