Ανάλυση και σχεδίαση διατάξεων οδήγησης και ακτινοβολίας με βάση υλικά με τεχνητές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες για σύγχρονα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών

Abstract

This doctoral thesis aims at developing computational techniques for the design of metamaterial-based structures, operating in the millimeter-wave frequency region. As communications shift toward higher frequencies, the need for synthesizing planar transmission lines with a simple fabrication process, while maintaining low losses, arises. The Substrate Integrated Waveguide (SIW) is the state-of-the-art transmission line for designing planar and low-loss millimeter-wave components. Thus, the first part of the thesis is devoted in analyzing the SIW propagation characteristics, by utilizing periodic eigenmode solvers, based on the Bloch-Floquet theorem, employing a finite element method (FEM). The low-loss nature of the SIW is verified both by eigenmode analyses and appropriate excitation problems. Based on the concept of the SIW, we propose two different metamaterial-inspired versions, employing complementary split-ring resonators (CSRRs) instead of the metalized via holes, to confine the propagating wave within the guiding channel. The CSRR SIWs are fully planar, maintain the low losses associated with the SIW, with the fabrication process being considerably simpler. The initial CSRR SIW version utilizes broadside-coupled CSRRs (BC-CSRRs) and is referred to as the BC-CSRR SIW. The EC-CSRR SIW is a different improved version of the BC-CSRR SIW, with the BC-CSRRs substituted by edge-coupled CSRRs, etched only on the top metal surface. The EC-CSRR SIW requires an even simpler fabrication process, due to its uniplanar form. The propagation characteristics of both CSRR SIWs are determined by periodic eigenmode analyses. The results were then verified by excitation problems and measurements. As a next step, a fully planar and easy-to-fabricate power divider, based on the multimode interference (MMI) that occurs in a multimode BC-CSRR SIW, as well as CSRR SIW periodic leaky-wave antennas (PLWAs) were designed. Initially, the PLWAs were uniform, consisting of identical transverse slots, experiencing high gain and a beam scanning ability. Non-uniform EC-CSRR SIW PLWAs were also proposed, realizing a 20 dB Taylor aperture distribution, to suppress the side lobes. This design principle was extended to two-dimensional slot arrays, synthesizing a 3X21 PLWA, accomplishing a higher gain of 21 dBi. The leaky-wave radiation characteristics were determined by periodic eigenmode analyses, with the results verified through excitation problems and measurements. The last section of the thesis focuses on large-scale two-dimensional metamaterial structures, which are also known as metasurfaces. A temporal coupled-mode theory (TCMT) formalism is proposed, to analyze such metasurface structures. The CMT is applied to both uniform and non-uniform SRR metasurfaces. The CMT results are compared to the FEM results, and a reasonable agreement is observed. CMT requires considerably less time and memory compared to the FEM, offering an initial, valuable estimation of the structure's frequency response, which may be used as a guideline for the final MTS fine tuning.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη υπολογιστικών τεχνικών για τη σχεδίαση διατάξεων βασισμένων στην τεχνολογία των μεταϋλικών. Το ενδιαφέρον εστιάζεται κυρίως σε σύγχρονα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών, με έμφαση στην περιοχή των χιλιοστομετρικών συχνοτήτων. Καθώς οι επικοινωνίες μετατοπίζονται σε ολοένα και υψηλότερες συχνότητες, καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική η εύρεση κατάλληλων γραμμών μεταφοράς, που συνδυάζουν την επίπεδη μορφή και την ευκολία κατασκευής με χαμηλές απώλειες. Οι κυματοδηγοί ολοκληρωμένοι σε υπόστρωμα (SIW) αποτελούν την τρέχουσα κατάσταση για τις χιλιοστομετρικές συχνότητες, για αυτό και το πρώτο σκέλος της διατριβής αφιερώνεται στην υπολογιστική τους ανάλυση. Καθώς οι SIW είναι περιοδικές διατάξεις, εξετάζονται κατάλληλες υπολογιστικές τεχνικές, που βασίζονται στο θεώρημα Bloch-Floquet, και υλοποιούνται μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Βάσει της ανάλυσης των περιοδικών προβλημάτων ιδιοτιμών αλλά και προβλημάτων διέγερσης επιβεβαιώνονται τα χαρακτηριστικά διάδοσης του SIW. Ως επόμενο βήμα προτείνονται δύο νέοι κυματοδηγοί, που βασίζονται στον SIW, με τις κάθετες μεταλλικές διασυνδέσεις να έχουν αντικατασταθεί με κατάλληλες δομές μεταϋλικών. Οι νέοι κυματοδηγοί είναι πλήρως επίπεδοι, διατηρούν τις χαμηλές απώλειες του SIW, ενώ χαρακτηρίζονται από σημαντικά ευκολότερη διαδικασία κατασκευής. Ο πρώτος εξ’ αυτών είναι ο SIW που δομείται από ευρύπλευρα συζευγμένους συμπληρωματικούς συντονιστές διακεκομμένου δακτυλίου (BC-CSRR SIW). Ο δεύτερος αποτελεί μια εξέλιξη του πρώτου, με τους BC-CSRR να αντικαθίστανται με ακμιακά συζευγμένους CSRR (EC-CSRR), ώστε o κυματοδηγός να έχει ακόμα απλούστερη διαδικασία κατασκευής, χάρη στην μονοεπίπεδη μορφή του. Η ανάλυση των κυματοδηγών πραγματοποιείται μέσω περιοδικών προβλημάτων ιδιοτιμών, με τα αποτελέσματα να επιβεβαιώνονται μέσω προβλημάτων διέγερσης αλλά και μετρήσεων. Οι νέοι αυτοί κυματοδηγοί αξιοποιήθηκαν για τη σχεδίαση ενός διαιρέτη ισχύος 1 επί 2, ο οποίος βασίζεται στο φαινόμενο της συμβολής των ρυθμών ενός πολύρρυθμου ΒC-CSRR SIW, καθώς και για την υλοποίηση περιοδικών κεραιών κύματος διαρροής (PLWA). Αρχικά σχεδιάστηκαν ομοιόμορφες κεραίες κύματος διαρροής, μία για καθένα κυματοδηγό, οι οποίες χαρακτηρίζονται από υψηλό κέρδος, πλήρως επίπεδη μορφή αλλά και δυνατότητα στροφής του κύριου λοβού συναρτήσει της συχνότητας. Προτάθηκαν και ανομοιόμορφες PLWA βάσει του ΕC-CSRR SIW, ακολουθώντας κατανομή Taylor 20 dB, για μείωση των πλευρικών λοβών. Η επίτευξη υψηλότερου κέρδους, περίπου 21 dBi, κατέστη δυνατή, με σχεδίαση δισδιάστατων ανομοιόμορφων στοιχειοκεραιών PLWA 3 επί 21. Τα χαρακτηριστικά του κύματος διαρροής υπολογίστηκαν μέσω περιοδικών προβλημάτων ιδιοτιμών, και τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν μέσω προσομοιώσεων και μετρήσεων. Στο τελευταίο σκέλος της διατριβής η αξιοποίηση των μεταϋλικών επεκτείνεται σε διατάξεις μεγάλης κλίμακας με δισδιάστατη μορφή, τις λεγόμενες μεταεπιφάνειες. Προτείνεται η ανάλυση των δομών αυτών μέσω μιας ημιαναλυτικής μεθόδου, της θεωρίας συζευγμένων ρυθμών στο πεδίο του χρόνου (TCMT). Εξετάζονται ομοιόμορφες και ανομοιόμορφες μεταεπιφάνειες, με τα αποτελέσματα της CMT να συγκρίνονται με αυτά της FEM. Η σύγκριση εστιάζεται και στις υπολογιστικές απαιτήσεις, με τη CMT να αποδεικνύεται σημαντικά απλούστερη και ταχύτερη, προσφέροντας μια καλή εκτίμηση της απόκρισης των διατάξεων.