Structures for guiding and radiation of electromagnetic energy based on resonant metamaterials : doctoral thesis = Strukture za vođenje i zračenje elektromagnetske energije temeljene na rezonantnim metamaterijalima : doktorski rad - Zaluški, Davor 1984; Hrabar, Silvio (Zagreb : D. Zaluški ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 2013)
SUMMARY: The real parts of permittivity and permeability of most naturally occurring materials are larger than unity. That is the main reason why transversal dimension of a rectangular waveguide cannot be shorter than half of a wavelength, which prevents miniaturization of waveguide devices. However, recent theoretical and experimental results have shown that subwavelength propagation and therefore, the miniaturization, are possible when ordinary waveguides are filled with some artificial structures. These structures behave as continuous uniaxial materials with negative real parts of permeability or permittivity tensors (“Single-Negative Metamaterials”). Furthermore, recent theoretical studies revealed that specially designed artificial electromagnetic surface (“metasurface”) composed of uniaxial Epsilon-Near-Zero and Mue-Near-Zero particles behaves either as perfect electric conductor (PEC) or perfect magnetic conductor (PMC), depending on polarization of incident plane wave. This, so-called “DB” metasurface enforces vanishing of the normal components of electric and magnetic flux density vectors. In this thesis, a counter intuitive phenomenon of subwavelength propagation in a miniaturized rectangular waveguide filled with uniaxial SNG metamaterial is investigated theoretically, numerically and experimentally. Based on this analysis, several novel structures for guiding and radiation of electromagnetic energy were designed, manufactured and measured. In addition, a practical implementation of DB metasurface, based on resonant inclusions, is proposed and possible practical applications are highlighted. All achieved results are compared with the existing theoretical and experimental studies from the available literature. - KEYWORDS: metamaterial, metasurface, DB boundary, split-ring resonator, leaky-wave antenna, CRLH-HP
SAŽETAK: Vrijednosti realnih dijelova elemenata tenzora permitivnosti i permeabilnosti prirodnih materijala su brojevi veći od jedan. Zbog toga poprečna dimenzija valovoda ne može biti manja od polovice valne duljine što onemogućuje minijaturizaciju postojećih mikrovalnih komponenti.
U radu je pokazano da je moguće načiniti minijaturizirani valovod temeljen na metamaterijalima čija je poprečna dimenzija kraća od polovice valne duljine. Nadalje, pokazano je da je to neintuitivno svojstvo (koje se kosi s ograničenjima klasičnog valovoda) izravna posljedica posebnog moda propagacije, prisutnog u anizotropnim materijalima s negativnom permeabilnošću koji slijede Lorentzov disperzijski model. Također je analizirana mogućnost ostvarenja valovoda sličnih svojstava, ali sa znatno manjim gubitcima. Takav bi valovod bio temeljen na metamaterijalu s negativnom permitivnošću koji slijedi Drude-ov disperzijski model. Nadalje, pokazano je da se minijaturizirani valovod temeljen na metamaterijalima može preinačiti u antenu s curećim valom kojom se može neprekinuto prebrisavati cijeli poluprostor iznad zračećega proreza (od zračenja prema natrag, preko zračenja u okomitom smjeru do zračenja prema naprijed). Na posljetku, pokazalo se mogućim načiniti umjetnu metapovršinu koja poništava okomite komponente vektora gustoće električnoga toka i gustoće magnetskoga toka. Svi zaključci ostvareni u okviru teme potvrđeni su analitički, numerički i eksperimentalno, s prijedlozima mogućih praktičnih primjena. Također, dana je poštena usporedba s postojećom tehnologijom.
U prvom poglavlju (1. Introduction), dan je kratak pregled literature vezane uz područje elektromagnetskih metamaterijala, s posebnim naglaskom na moguće primjene u valovodnoj tehnologiji, antenama i umjetnim površinama (meta-površinama). Neuobičajeni modovi propagacije karakteristični za metamaterijale (propagacija putem povratnog vala i propagacija s beskonačnom valnom duljinom) su prepoznati kao nove i nerazjašnjene fizikalne pojave. Predviđeno je da se te pojave mogu iskoristiti u nekoliko zanimljivih primjena kao što su minijaturizacija, skaliranje i rekonfiguracija klasičnih pasivnih mikrovalnih uređaja. Završno potpoglavlje sažeto i na čist i jasan način predstavlja tematiku istraživanja, metodologiju i ciljeve istraživanja.
U drugom poglavlju (2. Waveguide filled with anisotropic MNG metamaterial), predstavljena je vrlo detaljna analiza valovoda ispunjenog jednoosnim MNG metamaterijalom (spregnutim prstenovima s prorezom). Zaključeno je da se raspodjela polja unutar takvoga valovoda, koji radi ispod zaporne frekvencije osnovnoga moda, može shvatiti kao superpozicija dva nehomogena planarna povratna vala. Postojanje povratnog vala je potvrđeno numeričkim punovalnim simulacijama i eksperimentalno mjerenjem raspodjele faze incidentnog vala uzduž eksperimentalnoga prototipa minijaturiziranoga valovoda. Predstavljen je postupak ekstrakcije efektivnih parametara u valovodnom okruženju te je njegova točnost i pouzdanost ispitana na nekoliko ispitnih uzoraka s unaprijed poznatim svojstvima. Posebno je ispitan utjecaj varijacije broja inkluzija na svojstva valovoda. Svi numerički i eksperimentalni rezultati su pokazali da se valovod ispunjen spregnutim prstenovima s prorezom može poistovijetiti s homogenizirianim valovodom ispunjenim nadomjesnim anizotropnim MNG metamaterijalom.
U trećem poglavlju (3. Subwavelength waveguides and leaky-wave antennas capable of sustaining high power levels), predstavljen je razvoj nove vrste valovoda i pripadajuće valovodne antene s curećim valom, ispunjene materijalom s dvostrukim žicama (materijalom s negativnom permitivnošću koji slijedi Drude-ov disperzijski model). Numerički i eksperimentalno je pokazano da takva vrsta valovoda, u određenim uvjetima, podržava širokopojasnu propagaciju putem tri različita propagacijska moda. Na niskim frekvencijama valovod podržava propagaciju putem povratnoga vala koji se, na određenoj frekvenciji, pretvara u val s beskonačnom valnom duljinom. Na još višim frekvencijama, propagacija se odvija putem izravnih valova. Pokazalo se da je moguće postići da ta tri moda propagacije budu međusobno susjedna, omogućavajući glatke i neprekinute prijelaze. Posljedično, pripadajuća antena s curećim valom pokazala je mogućnost prebrisavanja čitavoga poluprostora iznad zračećeg proreza, što nije ostvarivo korištenjem klasične tehnologije. Ovaj je pristup dodatno unaprijeđen u smislu razvoja antene s curećim valom koja podržava signale visokih razina snage. Numerički rezultati valovoda i pripadajuće antene s curećim valom su upotpunjeni mjerenjima na eksperimentalnim prototipima.
U četvrtom poglavlju (4. Practical realizations of DB boundary surface), predstavljeno je prvo eksperimentalno ostvarenje i potvrda nedavno teoretski predložene meta-površine s nultim vrijednostima okomitih komponenti gustoće električnoga toka i gustoće magnetskoga toka (takozvana DB površina). Predložena su dva različita planarna dizajna, jedan temeljen na dvoslojnom, a drugi na jednoslojnom pristupu. Dvoslojni pristup se temelji na jednom sloju spregnutih prstenova s prorezom koji se nalazi iznad drugoga sloja načinjenog od induktivno opterećenih kratkih dipola. Numerička analiza dvoslojne strukture je pokazala očekivana svojstva DB površine, ali se, uslijed sprege između slojeva, optimizacija konstrukcijskih parametara pokazala kao zahtjevna zadaća. No, pokazalo se da je predložena jednoslojna realizacija tehnološki mnogo jednostavnija i robusnija. Jednoslojna je realizacija temeljena na novoj DB čestici koja istodobno pokazuje svojstva električnog i magnetskog dipola, pri čemu je neželjena križna polarizacija u potpunosti potisnuta. Predložena nova DB čestica te pripadajuća DB površina su praktično napravljene i izmjerene u valovodnom okruženju. To predstavlja prvu eksperimentalnu realizaciju i potvrdu DB površine uopće.
U petom poglavlju (5. Conclusions), sažeti su svi postignuti rezultati istraživanja, s kratkim objašnjenjem originalnosti. Na kraju, dane su smjernice za buduća istraživanja, s posebnim naglaskom na moguće primjene. - KLJUČNE RIJEČI: metamaterijal, meta površina, split-ring rezonator, DB površina, valovodna antena s curećim valom
Bibliografija: str. 209-216. - Životopis na eng. i hrv. jeziku. - Popis radova autora: str. 219-221