UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR
DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
TESIS DOCTORAL
APPLICATION OF METAMATERIAL
STRUCTURES IN THE DESIGN, ANALYSIS
AND PROTOTYPING OF PLANAR
ANTENNAS
APLICACIÓN DE ESTRUCTURAS
METAMATERIALES EN EL DISEÑO, ANÁLISIS Y
PROTOTIPADO DE ANTENAS PLANAS
José-Manuel Fernández González
Ingeniero de Telecomunicación
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
DEPARTAMENTO DE SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES GRUPO DE RADIACIÓN
DOCTORAL THESIS - TESIS DOCTORAL
APPLICATION OF METAMATERIAL
STRUCTURES IN THE DESIGN, ANALYSIS AND
PROTOTYPING OF PLANAR ANTENNAS
APLICACIÓN DE ESTRUCTURAS METAMATERIALES EN
EL DISEÑO, ANÁLISIS Y PROTOTIPADO DE ANTENAS
PLANAS
Autor :
José-Manuel Fernández González Ingeniero de Telecomunicación
Director:
Manuel Sierra-Castañer Doctor Ingeniero de Telecomunicación
Profesor Titular de Universidad
TESIS DOCTORAL: Application of metamaterial structures in the design, analysis and prototyping of planar antennas.
(Aplicación de estructuras metamateriales en el diseño, análisis y prototipado de antenas planas.)
AUTOR: José-Manuel Fernández González Ingeniero de Telecomunicación
DIRECTOR: Manuel Sierra-Castañer
Doctor Ingeniero de Telecomunicación Profesor Titular de Universidad
DEPARTAMENTO: Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones Univerisdad Politécnica de Madrid
El Tribunal de Cali cación, compuesto por:
PRESIDENTE:
VOCALES:
VOCAL SECRETARIO:
VOCALES SUPLENTES:
Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis en Madrid a día ... de ... de ... en la E.T.S.I. Telecomunicación.
Agradecimientos
Hace seis años llegué a Madrid como estudiante Erasmus. Lo que inicié como un viaje corto de seis meses se terminó convirtiendo en una gran aventura de la que no sabía ni el destino, ni su duración. Hoy, naliza una de las etapas más importantes de esta aventura, y al mirar hacia atrás, al igual que en los grandes viajes, sólo recuerdo buenos momentos, esos que se quedan grabados a fuego en la memoria, y de los que por mucho tiempo que pase nunca consigues olvidar.
He disfrutado mucho estos años con esta tesis, que me ha echo descubrir el fascinante mundo de la investigación, y ha abierto ante mí un nuevo camino profesional que espero poder seguir desarrollando. He disfrutado por que he encontrado una familia profesional, un grupo de amigos, que no sólo me han ofrecido su amistad y su apoyo, si no la oportu-nidad de ver las cosas con otros ojos y de ampliar mis horizontes personales.
En este tiempo también he vivido momentos difíciles, he tenido mis dudas a la hora de seguir el viaje, incluso en algún momento he pensando en bajarme del tren en la siguiente parada..., por eso debo dar las gracias a mis padres, Teresa y Manuel, por haberme enseñado que las cosas importantes de la vida son las que más cuestan, por haberme dado aliento cuando más lo necesitaba, por su comprensión y por su amor incondicional, y por ayudarme en esos momentos a seguir adelante.
Empecé esta aventura, con mucha ilusión, con grandes esperanzas y con el apoyo de Manuel Sierra-Pérez, que me facilitó el camino hacia la Universidad Politécnica de Madrid, y con ello al Grupo de Radiación, donde he tenido mi casa estos años. A Manolo "tío", muchas gracias por haberme brindado esta gran oportunidad.
Gracias a Manuel Sierra-Castañer, inicialmente como mi tutor de proyecto n de carrera y posteriormente como mi director de tesis, por aceptar este reto y además creer en mí. Por brindarme la oportunidad de recurrir a su capacidad y experiencia cientí ca, por la con anza depositada en mí y apoyarme en todo, pero sobre todo por su paciencia, su afecto y amistad, sin las que no hubiera podido cerrar esta etapa. Manolo, te estaré siempre agradecido.
También quiero dar las gracias a Pablo Padilla, amigo y compañero de fatiga en la docencia del GR, a Yvonne y a Andrés. Todos ellos han desarrollado su proyecto n de carrera trabajando conmigo. Esta tesis se compone en gran medida de su trabajo
y colaboración. Ha sido una placer trabajar juntos y compartir con vosotros alegrías y di cultades.
Al Grupo de Radiación y con ello, a todos y cada uno de mis compañeros. A José-Luis Masa Campos por sus enseñanzas en el mundo de las antenas y por su amistad. A Laura y a Fer que aunque en este último tramo no hayan estado físicamente en el GR siempre lo estan moralmente dándome ánimos. A Jony por esas salidas memorables, a Sara continues d'être comme tu es, a Yasar el sirio-español del GR siempre dispuesto a comilonas y conocedor de buenos restaurantes, a Carlos y Saray por animarme siempre, a Cristian y María por in ntas ayudas y por tenerlos como amigos siempre pendientes y disponibles. A Miguel Salas el "uruguayo" y compañero de despacho-mesa. Hemos crecido juntos como profesionales. Empezaron todos siendo mis compañeros en el GR y han acabado siendo mis amigos compartiendo muchos ratos inolvidables fuera de la Universidad como cenas, viajes, playa, esqui...Espero que sigamos haciendolo. Esta tesis no habría sido lo mismo sin vuestro apoyo y vuestros ánimos. Vuestra amistad es una parte importante de mi vida. A Belén, Jambri, Ramón, Leandro, Miguel y José-Luis Besada que siempre me han tratado fenomenal en el GR. A Pablo Caballero y Armando, por compartir inquietudes, éxitos y fracasos durante las medidas y fabricación de los prototipos de antenas.
A todos aquellos que me he encontrado en esta aventura, a Quique, José-Manuel Serna, Bazil, los hermanos Pou, Javi Torres, Santi, Sandra Klinger, Luis, Esther, Nacho, Alex, Alfonso...y otros muchos que no nombro aquí pero que también estuvieron ahí y fueron parte del GR que yo viví. Por todas las risas que nos hemos echado juntos. Trabajar con todos vosotros ha hecho este difícil camino más fácil de llevar. Gracias a todos.
A los profesores de mis estancias que me han guiado en este trabajo en Montréal con Prof. C. Caloz y Prof. Per-Simon Kildal en Gotenburgo y a su gente, donde fui acogido como uno más de sus laboratorios. Por sus colaboraciones, por sus gran profesionalidades, por sus valiosas sugerencias y acertados aportes durante el desarrollo de esta tesis. En ambos viajes he conocido nuevas formas de trabajar y otras culturas.
A mis amigos ahora en la distancia en Suiza: a Florence, Caroline, Delphine, Stéphanie, Ana, Monica, Jérôme, Pedro, Daniel, José, Steve... que ya nos les veo tan amenudo pero siguen ahí. A Tere por sus ánimos y apoyos constantes, pero también por corregirme y aclararme dudas en español.
A mi familia, y en particular a mis primas Bego y Sandra que son como hermanas para mi. Por sus risas, por contagiarme su ilusión y respaldarme para conseguir mis objetivos, por escucharme, animarme y por estar a mi lado en todos los momentos. Por corregir los errores de mi español e inglés. La distancia no ha sido un impedimiento para teneros cerca de mí.
Esta tesis no hubiese sido posible sin nanciación. Quiero agradecer al Grupo de Ra-diación la con anza que depositó en mí, empezando a nanciarme la tesis por medios de proyectos y contratos. Darle las gracias también al Consejo Social de la Universidad Politécnica de Madrid por la ayuda que me permitió irme de estancia.También quiero agradecer al Ministerio de Educación y Ciencia de España, la beca de investigación na-cional del programa de formación de personal universitario que me concedió y que me ha permitido irme una segunda vez de estancia.
Gracias a todos por permitirme disfrutar de esta aventura.
Abstract
With this thesis "Application of metamaterial structures in the design, analysis and prototyping of planar antennas", we want to continue with the line of investigation of planar antennas where the Radiation Group from the Technical University of Madrid has broad experience. The experience acquired with the design and analysis of planar antennas in the Radiation Group, along with the newness and the interest that arouses the novel arti cial periodic structures called metamaterials allow us to open a eld of possibilities for improving planar antenna performances that will be explored with this work. It is possible to be said that the eld of the metamaterials applied to the planar antennas is still in a period of investigation and expansion, where novel contributions can be made. Starting o this base, the fundamental idea that has been achieved with the work that has been made, is centering on studying the potential application of these novel structures to the design of planar antennas. In order to carry out the development of the present doctoral thesis, it has been tried to achieve a series of landmarks that are enumerated as follow emphasizing the contributions that were obtained with this work.
First, a previous deep revision work of current state of the art has been made giving a general vision on the metamaterials used in this thesis and of the dierent applications from these structures to the eld of the planar antennas.
Secondly, the eect of AMC structures in parallel-plate slot antennas at 12 GHz band has been analyzed, placed as sidewalls instead of the conventional metallic walls and as propagation strips within the oversized waveguide. These concepts are illustrated in the thesis by two possible applications analyzed in detail and validated experimentally. The sidewalls with AMC structures allow to get uniform eld distribution and aperture illu-mination in the parallel-plate waveguide avoiding an abrupt decline of the eld along the propagation direction. The propagation strips (AMC alternates with PEC) for monomode waveguides allow to guide e ciently the wave propagation of the dierent virtual rectan-gular waveguide in the oversized waveguide forcing the propagation in one direction and avoiding undesired mutual coupling between them, being able to generate a virtual short circuit that delimits the TE10 adjacent individual modes propagation. They have been
called virtual propagation waveguides because there are no physical walls between each one. The obtained results are presented based in terms of eld distribution for the wave propagation and in terms of aperture e ciency and directivity for the radiation
istics of these antennas to evaluate the aperture illumination of the slots. These structures allow to control, guide and enhance the wave propagation and radiation performances of these kinds of antennas. The viability and advantages that oer these structures in these antennas have been analyzed. These structures represent a rst promising step towards obtaining parallel-plate slot antennas with high e ciency and directivity.
Thirdly, a feeding concept for TEM wave excitation in parallel-plate slot antennas using a planar left-handed lens excited via a coaxial probe has been proposed. This feed allows to reduce the undesired eects of ripples and losses in the quasi-TEM mode due to the present excitation forms (N elements of excitation that generate the feeding) of the parallel-plate slot antennas to enhance the uniform eld distribution within the oversized guiding waveguide. The design, analysis and characterization of this method of excitation in the 7.5 GHz band for a rst prototype and in the 12 GHz frequency band for a second prototype have been presented. The simulated results show that the functioning of the ideal left-handed lens wavefront propagates a uniform plane wave inside the oversized guiding waveguide. In addition, the parametric study of the unit cell in terms of dispersion diagram for the design of the real left-handed lens implemented with mushroom structures show proper functioning results as a left-handed medium. Although the mushroom structures have manufacturing constraints, the results are very promising for use as a left-handed medium in a way of feeding TEM mode in these antennas. The simulations show that the uniformity of the eld distribution within the waveguide is quite good. The results are very promising as excitation form of TEM mode for parallel-plate slot antennas. The use of these structures in this kind of antennas supposes a newness with respect to traditional feeding structures.
In fourth place, an arti cial substrate with magneto-dielectric properties for planar microstrip antennas has been presented. The fundamental properties of microstrip patch antennas on a magneto-dielectric substrate have been studied. An analysis and char-acterization of the substrate based on its electrical and magnetic parameters including the losses have been realized. The microstrip transmission line method for the extrac-tion of its constitutive parameters has been used. The applicaextrac-tion of a microstrip patch antenna at 1.9 GHz on this substrate in function of the patch size, its bandwidth, its radiation e ciency and its directivity has been analyzed. Its operation has been studied by means of dierent simulations that have experimentally been validated. This substrate allows to reduce the size of planar microstrip antennas obtaining some improvement in
its performances conserving its radiation characteristics.
In fth place, dierent oblong cross-sectional shapes of hard cylinders to reduce the electromagnetic blockage caused by metal struts or masts supporting the feed in re ectar-rays or re ector antennas to achieve invisibility have been analyzed in terms of equivalent blockage width and compared over a large frequency band (0-20 GHz) to evaluate their performances (to nd out how thick a strut can be and still be quite invisible) for TE polarization. The drawbacks and advantages of these dierent blocking objects have been highlighted. Also, dierent implementations of hard surfaces on the strut design for TM polarization with arti cial surfaces and how they perform as a function of their design parameters, to reduce these obstructions and blockage eects for such cases where the direction of the incident wave is known, have been investigated and proposed. In par-ticular, dielectric coating and strips have been used to create hard surfaces. Parameters such as the strip period or the cross section length are critical for the performance. Both factors, shape and realization of the hard surface for the struts are fundamental to reduce blockage. The analysis of this work has been done with normal incidence and oblique incidence in the azimuth plane on in nitely long struts. Solutions which reduce blockage simultaneously for TE and TM cases have been analyzed and proposed with very low blockage within a narrow frequency band.
Therefore, the main objective of this doctoral thesis allows to extend the knowledge of the analysis, design and operation of metamaterial structures to contribute and propose possible solutions that help to improve the planar antenna performances using these novel structures.
Resumen
Con esta tesis "Aplicación de estructuras metamateriales en el diseño, análisis y prototi-pado de antenas planas" se pretende continuar con la línea de investigación sobre antenas planas, en la que el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid tiene amplia experiencia. La experiencia adquirida en el diseño y análisis de antenas planas en el Grupo de Radiación, junto con la novedad y el interés que suscitan las nuevas estructuras periódicas arti ciales llamadas metamateriales, permite abrir un campo de posibilidades en la mejora de las prestaciones de las antenas planas que se pretenden ex-plorar con este trabajo. Se puede decir que el campo de los metamateriales aplicado a las antenas planas está aun en un período de investigación y de expansión donde se pueden realizar novedosas aportaciones. Partiendo de esta base, la idea fundamental que se ha perseguido con el trabajo que se ha realizado se centra en estudiar la potencial aplicación de estas novedosas estructuras a diseños de antenas planas, en línea con los intereses de investigación del Grupo de Radiación. Para llevar a cabo el desarrollo de la presente tesis doctoral se han seguido una serie de hitos que a continuación se enumeran, remarcando las aportaciones que se han logrado con este trabajo.
En primer lugar, se ha realizado un profundo estudio bibliográ co dando una visión general sobre los metamateriales utilizados en esta tesis y de las diferentes aplicaciones de estas estructuras al campo de las antenas planas.
En segundo lugar, se ha analizado el efecto de estructuras conductoras magnéticas arti ciales (AMC) en antenas de ranuras en guía de placas paralelas en la banda de 12 GHz, tanto como sustitución de las paredes laterales como estructura de guiado en la guía de placas paralelas. Estos conceptos se ilustran en la tesis mediante dos posibles aplicaciones analizadas en detalle y validadas experimentalmente. Las paredes laterales con AMC permiten uniformizar la distribución de campo en el interior de la guía evitando la abrupta caída de campo en sus bordes. Las estructuras de guiado (AMC alternados con PEC) permiten marcar de manera e ciente el camino de propagación de ondas elec-tromagnéticas de las distintas guías virtuales en la guía biplaca, forzando su propagación en una sola dirección y evitando efectos de acoplamientos indeseados entre ellas. Con ello se consigue generar un cortocircuito virtual que delimita perfectamente los modos TE10
adyacentes individuales. Se han denominado guías virtuales porque no tienen paredes físicas entre cada guía monomodo. Los resultados obtenidos son presentados en función
de la distribución de campo para la propagación de onda, y en función de la e ciencia de apertura y de la directividad para las características de radiación de estas antenas. Se ha demostrado que permiten controlar, guiar y mejorar las características de propagación de ondas electromagnéticas y de radiación en este tipo de antenas, en particular el control de la excitación de las ranuras. Se ha analizado la viabilidad y las ventajas que ofrecen estas estructuras para este tipo de antenas. Estas estructuras representan un primer paso prometedor hacia la obtención de antenas planas de ranuras en guía biplaca con alta e ciencia y directividad.
En tercer lugar, se ha propuesto una forma de excitación de las antenas planas de array de ranuras en guía de placas paralelas siguiendo la metodología tradicional de gene-ración de un modo TEM en la apertura de la guía biplaca, utilizando una lente plana con estructuras en forma de seta como medio zurdo excitada por sonda coaxial. Con esta forma de alimentación se trata de reducir los efectos indeseados de rizado y pérdidas debido a las formas de excitación actuales (N elementos que actúan como excitadores que generan la alimentación) de las antenas planas de placas paralelas. Se ha presentado el diseño, análisis y caracterización de este método de excitación en la banda de 7.5 GHz para un primer prototipo y en la banda de 12 GHz para un segundo prototipo. Los resultados de simulación obtenidos muestran que el funcionamiento de la lente zurda ideal propaga un frente de onda plano uniforme en el interior de la guía de ondas de placas paralelas. Además, los resultados del estudio parámetrico de la celda unidad mediante el diagrama de dispersión para el diseño de la lente zurda real con estructuras en forma de seta muestran un buen funcionamiento de la estructura como medio zurdo. Aunque la estructura en forma de seta como medio zurdo tenga limitaciones de fabricación, los resultados obtenidos en el caso de la lente zurda ideal simulada con medios homogéneos y los diagramas de dispersión de la lente zurda real son muy prometedores como nueva forma de alimentación del modo TEM en estas antenas. Las simulaciones del caso ideal muestran que se puede conseguir una mejoría en la uniformidad de la distribución de campo en el interior de la guía biplaca, aumentando de esa manera la apertura de iluminación de las ranuras. La principal ventaja de utilizar esta forma de excitación en la guía biplaca, siguiendo la metodología tradicional de generación de un modo TEM en la apertura de la guía, es la reducción de los efectos indeseados de rizado y pérdidas debido a la forma de excitar el frente de onda plano y de conseguir mayor uniformidad en la distribución de campo en la apertura de la guía. De esta manera se obtienen mejores prestaciones de las
antenas de placas paralelas. La utilización de estas estructuras en este tipo de antenas supone una novedad con respecto a estructuras de alimentación tradicionales.
En cuarto lugar, se ha presentado un substrato arti cial con propiedades magneto-dieléctricas para las antenas planas microstrip. Se han estudiado las propiedades funda-mentales de un parche microstrip sobre un substrato magneto-dieléctrico. Se ha realizado un análisis y caracterización del substrato en función de sus parámetros eléctricos y mag-néticos incluyendo las pérdidas. Se ha utilizado el método de línea de transmisión mi-crostrip para la extracción de sus parámetros constitutivos. Se ha analizado la aplicación de un parche microstrip a 1.9 GHz sobre este substrato en función del tamaño del parche, de su ancho de banda, su e ciencia de radiación y su directividad. Se ha estudiado su fun-cionamiento mediante distintas simulaciones que han sido experimentalmente validadas. Este substrato permite reducir el tamaño de antenas planas microstrip consiguiendo al-guna mejora en sus prestaciones conservando sus características de radiación.
En quinto lugar, se han analizado diferentes formas de soportes cilíndricos con condi-ciones "hard" para reducir el problema de la obstrucción y bloqueo de ondas electromag-néticas por soportes o mástiles de apoyo en la alimentación de antenas de tipo re ectarrays o re ectores. Se han presentado la caracterización y comparación de prestaciones sobre un amplio margen de frecuencia (0-20 GHz) de diferentes formas de soportes diseñadas mostrando sus ventajas e inconvenientes para la polarización TE. Se han implementado estructuras metamateriales con condiciones "hard" que recubran estos soportes cilíndri-cos para la polarización TM. Estas estructuras han sido caracterizadas en función de sus parámetros de diseño y se ha mostrado que permiten conseguir un efecto de invisibilidad de estos soportes mejorando así las prestaciones de antenas cuando la dirección de inci-dencia de la onda es conocida. Para poder de nir la calidad de la invisibilidad de estos soportes se ha utilizado el parámetro de anchura de bloqueo equivalente de nido en el capítulo correspondiente. También se han propuesto soluciones que reducen el bloqueo simultáneamente para las polarizaciones TE y TM consiguiéndolo en una banda estrecha de frecuencia. En particular, una capa del dieléctrico y tiras metálicas han sido utilizadas para crear la condición de super cie "hard" para las dos polarizaciones simultáneamente. Los parámetros tales como el período de las tiras o la longitud de sección transversal de los soportes son críticos para conseguir un buen funcionamiento. Ambos factores, como el diseño de la forma y la realización de la condición de super cie hard para los soportes son fundamentales para reducir el bloqueo. El análisis de este trabajo se ha limitado a
una onda plana incidente normal y oblicua en el plano azimut al soporte.
Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis doctoral es ampliar el conocimiento del análisis, diseño y funcionamiento de las estructuras metamateriales para contribuir, proponer y aportar posibles soluciones, que mediante la aplicación de estas estructuras, ayuden a mejorar las prestaciones de antenas planas.
Résumé
Avec cette thèse "Application de structures métamatériaux dans la conception, l'analyse et prototype d'antennes planaires", on prétend poursuivre la ligne de recherche des antennes planes où le "Grupo de Radiación" de l'Université Polytechnique de Madrid a une vaste expérience. L'expérience acquise dans la conception et l'analyse d'antennes planaires dans le "Grupo de Radiación", avec la nouveauté et l'intérêt que suscitent les nouvelles struc-tures périodiques arti cielles appelées métamatériaux, nous permet d'ouvrir plusieurs po-ssibilités en vue d'améliorer les performances des antennes planes qu'on prétend explorer avec ce travail. On peut dire que le domaine des métamatériaux appliqué aux antennes planaires est encore dans une période de recherche et d'expansion où de nouvelles contri-butions peuvent être eectuées. En partant de cette base, l'idée fondamentale, qui a été poursuivie avec le travail eectué, vise à étudier la potentielle application de ces nouvelles structures à la conception d'antennes planaires. Pour mener à bien le développement de la présente thèse doctorale, on a suivi une série d'étapes énumérées à la suite, en citant les contributions qui ont été obtenues dans ce travail.
D'abord, une profonde étude bibliographique a été eectuée en donnant une vision générale des métamatériaux utilisés dans cette thèse et des diérentes applications de ces structures dans le domaine des antennes planaires.
Deuxièmement, l'eet des structures conductrices magnétiques arti cielles (AMC) des antennes à fentes dans un guide d'onde de plaques parallèles dans la bande de 12 GHz a été analysé, tant comme substitution des parois latérales au lieu des parois mé-talliques conventionnelles et comme bande de propagation dans le guide d'onde surdimen-sionné. Ces concepts sont illustrés dans la thèse par le biais de deux possibles applications analysées en détail et validées expérimentalement. Les parois latérales avec AMC perme-ttent d'uniformiser la distribution des champs à l'intérieur du guide d'onde, en évitant la chute abrupte du champ électrique sur les bords. Les bandes de propagation (AMC alterné avec conducteur électrique parfait (PEC)) permettent de marquer de manière e -cace le chemin de propagation des ondes électromagnétiques des diérents guides d'ondes virtuels dans le guide d'onde à plaques parallèles, en forçant sa propagation dans une seule direction et en évitant des eets de couplages mutuels indésirés entre elles, en parvenant à produire un court-circuit virtuel qui délimite parfaitement les modes TE10 adjacents
individuels. Nous les avons appelés guides d'ondes virtuels parce qu'ils ne possèdent pas 21
de parois physiques entre chaque guide d'ondes monomodes. Les résultats obtenus sont présentés en fonction de la distribution de champs le long de la direction de propagation de l'onde et en fonction de l'e cacité d'ouverture et de la directivité pour les carac-téristiques de rayonnement de ces antennes, pour évaluer l'illumination d'ouverture des fentes. Ces structures ont permis de contrôler, guider et améliorer la propagation d'ondes et les performances de rayonnement de ce type d'antennes. La viabilité et les avantages qu'orent ces structures pour ce type d'antennes ont été démontrés. Les métamatériaux représentent un premier pas prometteur vers l'obtention d'antennes planaires à fentes en guide d'ondes de plaques parallèles avec une haute e cacité et directivité.
En troisième lieu, une forme d'excitation des antennes planes à fentes en guide d'ondes de plaques parallèles a été proposé en suivant la méthodologie traditionnelle de génération du mode TEM à l'intérieur du guide d'onde surdimensionné en utilisant une lentille plane réalisée avec des métamatériaux à main gauche excitée par una sonde coaxiale. Avec cette forme d'alimentation, il s'agit de réduire les eets d'ondulations indésirés et de pertes dues aux formes d'excitation existantes actuellement (N elements qui font o ce d'exciteur et qui génère l'alimentation) pour les antennes planaires en guide d'ondes de plaques parallèles. La conception, l'analyse et la caractérisation de cette méthode d'excitation dans la bande de 7.5 GHz pour un premier prototipe et dans la bande de 12 GHz pour un second prototipe ont été présentés. Les résultats obtenus en simulation montrent que la lentille plane gauche propage une onde plane uniforme à l'intérieur du guide d'onde de plaques parallèles. De plus, les résultats de l'étude paramétrique de la cellule unité de la structure en forme de champignon par l'intermédiaire du diagramme de dispersion pour la conception de la lentille réelle gauche avec les structures sous la forme d'un champignon montrent le bon fonctionnement de la structure comme matériau gauche. Bien que cette structure ait des contraintes de fabrication, les résultats obtenus dans le cas de la lentille idéale homogène simulée et en utilisant les diagrammes de dispersion de la lentille réelle sont très prometteurs comme forme d'alimentation de mode TEM pour les antennes à fentes de plaques parallèles. L'utilisation de ces structures dans ce type d'antennes suppose une nouveauté en comparaison des structures d'alimentation traditionnelles.
En quatrième lieu, un substrat arti ciel avec des propriétés magnéto-diélectriques pour les antennes microruban planaires a été présenté. Les propriétés fondamentales d'une antenne microruban ont été étudiées sur un substrat magnéto-diélectrique. L'analyse et
caractérisation du substrat basé sur ses paramètres électriques et magnétiques en incluant les pertes ont été réalisées. La méthode de ligne de transmission pour l'extraction de ses paramètres constitutifs a été utilisée. L'application d'une antenne microruban à 1.9 GHz sur ce substrat a été analysé en fonction de la taille de l'antenne, de sa largeur de bande, son e cacité de rayonnement et sa directivité. Son fonctionnement a été étudié par le biais de diérentes simulations expérimentalement validées. Ce substrat permet de réduire la taille d'antennes microruban planaires en obtenant une certaine amélioration de ses performances tout en conservant ses caractéristiques de rayonnement.
En cinquième lieu, diérentes formes de supports cylindriques ont été analysées pour réduire le problème d'obstacle et du bloquage d'ondes électromagnétiques par des su-pports ou des mâts d'appui de l'alimentation d'antennes type re ectarrays ou ré ecteurs. La caractérisation et la comparaison des performances de diérentes formes de supports ont été présentées sur une vaste bande de fréquence (0-20 GHz) en montrant ses avantages et inconvénients pour la polarisation TE. Des métamatériaux avec des conditions "hard" qui couvrent ces supports cylindriques pour la polarisation TM ont été développés. Ces structures ont été caractérisées en fonction de leurs paramètres de conception et ont dé-montrées qu'elles permettent d'obtenir l'eet d'invisibilité de ces supports en améliorant les performances des antennes quand la direction d'incidence de l'onde est connue. Pour pouvoir dé nir la qualité de l'invisibilité de ces supports, le paramètre de largeur équiva-lente de bloquage dé ni dans le chapitre correspondant a été utilisé. En particulier, une couche diélectrique et des bandes métalliques ont été utilisées pour créer la condition de surface "hard". Les paramètres comme la période des bandes ou la longueur des sections transversales des supports sont critiques pour obtenir un bon fonctionnement. Les deux facteurs, comme la conception et la réalisation de la condition de surface "hard" pour les supports sont fondamentaux pour réduire le bloquage. L'analyse de ce travail a été limitée à une onde incidente plane normale et oblique en azimut au support pour une direction d'arrivée. Des solutions qui réduisent le bloquage simultanément pour les polar-isations TE et TM ont été proposées en parvenant à réduire le bloquage dans une bande de fréquence étroite.
Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse doctorale est d'étendre la connai-ssance de l'analyse, la conception et le fonctionnement des métamateriaux pour contribuer, proposer et apporter de possibles solutions qui par l'application de métamatériaux aident à améliorer certaines des performances des antennes planaires.
Contents
I Resumen ampliado (extended abstract in Spanish)
xxi
I.1 Introducción y Objetivos . . . xxiii I.1.1 Motivación . . . xxiii I.1.2 Objetivos . . . xxiv I.1.3 Estructura de la tesis . . . xxvii I.2 Estructuras conductoras magnéticas arti ciales (AMC) en antenas planas
de ranuras . . . xxix I.2.1 Conductor magnético arti cial (AMC) . . . xxix I.2.2 Análisis de paredes laterales AMC en antenas planas de ranuras . . xxxi I.2.3 Tiras AMC/PEC en guía de placas paralelas . . . xxxv I.3 Lente plana zurda como excitación de antenas de array de ranuras de placas
paralelas . . . xxxvii I.3.1 Introducción . . . xxxvii I.3.2 Descripción . . . xxxix I.3.3 Resultados . . . xl I.4 Substrato arti cial integrado para la miniaturización de antenas planas
microstrip . . . xli I.4.1 Introducción . . . xli I.4.2 Descripción . . . xlii I.4.3 Resultados . . . xliii I.5 Soportes invisibles para antenas . . . xliv I.5.1 Introducción y Descripción . . . xliv
CONTENTS ii I.5.2 Resultados . . . xlv I.6 Conclusiones y Líneas futuras . . . xlvi I.6.1 Conclusiones . . . xlvi I.6.2 Líneas futuras . . . l
II Main Document
1
1 Introduction 3
1.1 Motivation . . . 3 1.2 Objectives . . . 7 1.3 Outline of the Thesis . . . 12
2 Metamaterials 15
2.1 De nition . . . 15 2.2 Classi cation . . . 18 2.3 Applications . . . 21 2.4 Metamaterials used in this Thesis . . . 23 2.4.1 Electromagnetic BandGap Materials . . . 23 2.4.2 Arti cial Magnetic Conductors and Soft/Hard Surfaces . . . 28 2.4.3 Left-Handed Materials . . . 34 2.4.4 Arti cial Dielectrics . . . 38
3 Arti cial Magnetic Conductors (AMC) Enhancing the Wave Propaga-tion in Oversized Parallel-Plate Waveguides for Planar Antenna
Appli-cations 41
3.1 AMC Surfaces . . . 42 3.1.1 Introduction . . . 42 3.1.2 Design of AMC . . . 43 3.2 AMC Surfaces Sidewalls in Parallel-Plate Slot Antennas . . . 47
CONTENTS iii 3.2.1 Introduction and Motivation . . . 47 3.2.2 Analysis of the Eect of PEC and PMC Sidewalls in an Oversized
Rectangular Waveguide . . . 50 3.2.3 AMC Sidewalls in a Parallel-Plate Waveguide . . . 54 3.2.4 Antenna Application . . . 58 3.2.5 Conclusion . . . 61 3.3 AMC-PEC-AMC Strips in Parallel-Plate Slot Antennas . . . 61 3.3.1 Introduction and Motivation . . . 62 3.3.2 Design of the AMC-PEC-AMC Strips . . . 65 3.3.3 Single AMC-PEC-AMC Strips in a Parallel-Plate Waveguide . . . . 69 3.3.4 Periodic AMC-PEC-AMC Strips in an Oversized Rectangular Waveguide 72 3.3.5 Antenna Application . . . 74 3.3.6 Conclusion . . . 76
4 Planar Left-Handed (LH) Lens for Plane TEM Wave Excitation in
Parallel-Plate Slot Antennas 79
4.1 Introduction and Motivation . . . 80 4.2 Fundamental Properties of Left-Handed Materials . . . 82 4.3 Design of the Feeding Structure . . . 85 4.3.1 Analysis and Design of the Planar LH Lens . . . 85 4.3.2 Ideal LH Lens . . . 87 4.3.3 Real LH Lens . . . 93 4.4 Antenna Structure . . . 112 4.5 Conclusion . . . 113
5 Substrate Integrated Arti cial Dielectric (SIAD) for Planar Microstrip
Antenna Miniaturization 115
CONTENTS iv 5.2 Fundamental Properties of a Patch Antenna on a Magneto-Dielectric
Sub-strate . . . 119 5.2.1 Bandwidth . . . 120 5.2.2 Radiation E ciency . . . 125 5.2.3 Directivity . . . 125 5.2.4 Summary . . . 126 5.3 Comparative Study of a Purely Dielectric Substrate, a Magneto-Dielectric
Substrate and a Purely Magnetic Substrate . . . 128 5.4 Substrate Integrated Arti cial Dielectric (SIAD) Microstrip Transmission
Line . . . 131 5.4.1 Description and Implementation of the Structure . . . 131 5.4.2 Basic Operation Principle . . . 134 5.4.3 Complete Equivalent Circuit Model . . . 137 5.4.4 S-Parameters . . . 140 5.4.5 Procedure of Eective Constitutive Parameter Extraction . . . 142 5.4.6 Parametric Characterization . . . 149 5.5 Application: Substrate Integrated Arti cial Dielectric (SIAD) Microstrip
Patch Antenna . . . 152 5.5.1 Description and Prototype . . . 152 5.5.2 Antenna Performances . . . 153 5.6 Conclusion . . . 157
6 Blockage Reduction of Support Struts for Antennas by Hard Surfaces
to Achieve Invisibility 159
6.1 Introduction and Motivation . . . 160 6.2 Characterization of Invisibility . . . 163 6.2.1 Introduction . . . 163 6.2.2 Two Dimensional (2D) Fields Color Plot . . . 165 6.2.3 Equivalent Blockage Width Weq . . . 166
CONTENTS v 6.2.4 Equivalent Blockage Width Calculation . . . 168 6.3 Fundamental Properties of the Soft and Hard Boundary Conditions . . . . 170 6.4 Shaping the Cross Section of a TE Hard Strut . . . 173 6.4.1 Equivalent blockage width Weq under normal incidence (ϕ = 0◦) . . 173
6.4.2 Equivalent blockage width Weq under the variation of incidence
an-gle ϕ . . . 178 6.5 Hard TM Case . . . 180 6.6 Simultaneously Blockage Reduction for TE and TM Cases . . . 185 6.7 Measurement Setup in the Anechoic Chamber . . . 190 6.8 Conclusion . . . 191
7 General Conclusions, Future Work and Publications 193 7.1 General conclusions and contributions . . . 193 7.2 Future work . . . 197 7.3 Publications . . . 199
Bibliography 203
A Annexe 227
A.1 AMC Surface Simulation . . . 227 A.2 Characterization of the Mushroom Structure Unit Cell . . . 228 A.2.1 HFSS Simulation . . . 228 A.3 Substrate Integrated Arti cial Dielectric (SIAD) Fabrication . . . 230 A.3.1 RT/Duroid 6002 Data Sheet . . . 232 A.4 Equivalent Blockage Width Weq . . . 234
A.4.1 Equivalent Blockage Width Weq . . . 234
A.4.2 Validation Model . . . 234 A.4.3 Hard TM Case . . . 237 A.4.4 Simultaneously Blockage Reduction for TE and TM Cases . . . 238
List of Figures
I.1 Diferentes condiciones de super cie. . . xxx
1.1 Parallel-plate slot antennas for DBS application. . . 5 1.2 Microstrip patch antenna. . . 6 1.3 Support struts for antennas. . . 7
2.1 Tetrahedron of the basic elements of the materials in the eld of science and engineering. . . 16 2.2 Classi cation of metamaterials. . . 19 2.3 Applications of metamaterials. . . 22 2.4 Example of a 2D EBG with cylindrical air posts in a dielectric substrate [1]. 25 2.5 Example of a 2D electromagnetic bandgap structure for microstrip lines [2]. 25 2.6 Example of the Sievenpiper's mushroom-type surface representing a way of
realizing an AMC [3]. . . 32 2.7 Kildal's table characterizing dierent surfaces with respect to EM
propa-gation waves along these surfaces for dierent E- eld polarizations [4]. . . . 33 2.8 Left-handed materials bends light in an odd way, and could be used to
create a lens [5]. . . 36
3.1 Dierent surface boundary conditions. . . 43 3.2 2D uniplanar EBG structure used to achieve the AMC surface. . . 44 3.3 2D uniplanar EBG structure unit cell acting as an AMC surface. . . 45 3.4 Re ection coe cient of the AMC surface under normal incidence
(Com-parison CST - HFSS). . . 46
LIST OF FIGURES viii 3.5 Re ection coe cient phase of the AMC surface under oblique incidence. . . 46 3.6 Scheme of the rectangular oversized waveguide with two PEC plates and
two PMC walls. . . 50 3.7 Rectangular waveguide working at 12 GHz. . . 52 3.8 Oversized rectangular waveguide with PEC sidewalls at 12 GHz. . . 53 3.9 Oversized rectangular waveguide with PMC sidewalls at 12 GHz. . . 53 3.10 Oversized rectangular waveguide with exciting probes. . . 54 3.11 Experimental setup used to measure the distribution of the electric eld
inside the waveguide. . . 55 3.12 EBG structures acting as AMC sidewalls in the parallel-plate waveguide. . 56 3.13 Distribution of electric- eld amplitude measured and simulated at 12 GHz
on the top of the parallel-plate waveguide with PEC sidewalls along the X-axis. . . 57 3.14 Distribution of electric- eld amplitude measured and simulated at 12 GHz
on the top of the parallel-plate waveguide with AMC sidewalls along the X-axis. . . 57 3.15 Prototype of the parallel-plate slot antenna used to apply the AMC lateral
walls. . . 58 3.16 Measured radiation pattern in the E-plane at 12 GHz. . . 59 3.17 Measured radiation pattern in the H-plane at 12 GHz. . . 59 3.18 Rectangular waveguide planar arrays made use of monomode waveguides. . 62 3.19 Virtual propagation waveguides within a parallel-plate waveguide. . . 64 3.20 AMC-PEC-AMC strips cross-section in a parallel-plate waveguide. . . 65 3.21 Ideal PMC-PEC-PMC structure. . . 66 3.22 Electric eld distribution of the ideal PMC-PEC-PMC strips at 12.65 GHz. 67 3.23 Real AMC-PEC-AMC structure. . . 67 3.24 Electric eld distribution of the ideal AMC-PEC-AMC strips. . . 68 3.25 AMC-PEC-AMC structure prototype. . . 69
LIST OF FIGURES ix 3.26 Experimental setup used to measure the distribution of the electric eld
over the AMC-PEC-AMC strips with a coaxial excitation. . . 70 3.27 Electric eld distribution amplitude at 12.65 GHz over the
AMC-PEC-AMC strips. . . 70 3.28 Experimental setup used to measure the distribution of the electric eld
over the AMC-PEC-AMC strips with a uniform excitation. . . 71 3.29 Electric eld distribution amplitude at 12.65 GHz along the propagation
direction over the AMC-PEC-AMC strips. . . 71 3.30 Experimental setup used to measure the electric eld distribution over the
periodic AMC-PEC-AMC strips within the oversized waveguide. . . 73 3.31 Measured electric eld distribution at the frequency working (12.65 GHz)
across and along the propagation direction (x-direction) over the periodic AMC-PEC-AMC structure inside the oversized waveguide. . . 73 3.32 Linear slot array antenna with AMC-PEC-AMC strips as a feed structure. 75 3.33 Return loss of the linear slot array antenna: comparison of
AMC-PEC-AMC strips and standard rectangular waveguide (WR75) as a guiding structure. . . 75 3.34 Radiation pattern of the linear slot array antenna at 12.65 GHz:
compari-son of AMC-PEC-AMC strips and standard rectangular waveguide (WR75) as a guiding feed structure. . . 76
4.1 Dierent excitation methods of TEM mode for parallel-plate waveguide slot arrays. . . 81 4.2 Characteristics of the right-handed and left-handed materials. . . 83 4.3 Backward waves: group vgr and phase vϕ velocity are directed in opposite
direction. . . 83 4.4 Properties of mediums depending of ε and µ [6]. . . 84 4.5 Principle of focusing by a parabolic LH/RH refractive interface. . . 85 4.6 Planar LH single lens with ideal constitutive parameters. . . 88 4.7 2D color electric eld distribution plot of the ideal LH single lens with εr,LH
LIST OF FIGURES x 4.8 2D color electric eld distribution plot of the ideal LH single lens with
dierent constitutive parameters at 12 GHz. . . 90 4.9 Electric eld distribution plot of the ideal LH single lens with εr,LH = -2.25,
µr,LH = -1 (nLH=-1.5) and εr,RH = 2.25, µr,RH = 1 (nLH=1.5) at 7.5 GHz. 91
4.10 Electric eld distribution plot of the ideal LH single lens with εr,LH = -2.43,
µr,LH = -1 (nLH=-1.56) and εr,RH = 2.25, µr,RH = 1 (nRH=-1.5) at 7.5 GHz. 91
4.11 S11parameter of the coaxial probe that excites the ideal LH lens with εr,LH
= -2.43, µr,LH = -1 (nLH=-1.56) and εr,RH = 2.25, µr,RH = 1 (nRH=-1.5). . 92
4.12 Planar LH double lens with ideal constitutive parameters. . . 93 4.13 2D color electric eld distribution plot of the ideal LH double lens at 12
GHz. . . 93 4.14 Real LH lens with mushroom structures as feeding network of the
parallel-plate waveguide. . . 95 4.15 Mushroom structure transmission line model. . . 96 4.16 Brillouin triangle of the mushroom structure unit cell (top view). . . 97 4.17 Dispersion diagram of the mushroom structure unit cell. . . 99 4.18 Simulation model of the mushroom structure unit cell in CST Microwave
Studio. . . 100 4.19 Dispersion diagram of the mushroom structure unit cell with εr,LH = -10.2,
µr,LH = -1 (nLH = -3.2) and εr,RH = 10.2, µr,RH = 1 (nRH = 3.2) at 12 GHz.101
4.20 Refractive index n of the mushroom structure unit cell with nLH = -3.2 at
12 GHz. . . 102 4.21 Mushroom structure unit cell with εr,LH = -2.43, µr,LH = -1 (nLH = 1.56)
and εr,RH = 2.25, µr,RH = 1 (nRH = 1.5) at 12 GHz. . . 104
4.22 Dispersion diagram of the mushroom structure unit cell: Phase matching condition (isotropy nature). . . 104 4.23 Mushroom structure unit cell with εr,LH = -2.43, µr,LH = -1 (nLH = 1.56)
and εr,RH = 2.25, µr,RH = 1 (nRH = 1.5) at 7.5 GHz. . . 106
4.24 Dispersion diagram of the mushroom structure unit cell: Phase matching condition (isotropy nature). . . 106
LIST OF FIGURES xi 4.25 Eect of the variation of lattice constant p on the dispersion diagram. . . . 107 4.26 Eect of the variation of lattice constant p on the refractive index. . . 107 4.27 Eect of the variation of distance between adjacent patches g on the
dis-persion diagram. . . 108 4.28 Eect of the variation of distance between adjacent patches g on the
re-fractive index. . . 108 4.29 Eect of the variation of dielectric thickness h on the dispersion diagram. . 109 4.30 Eect of the variation of dielectric thickness h on the refractive index. . . . 109 4.31 Eect of the variation of patch thickness t on the dispersion diagram. . . . 109 4.32 Eect of the variation of patch thickness t on the refractive index. . . 110 4.33 Eect of the variation of via diameter dvia on the dispersion diagram. . . . 110
4.34 Eect of the variation of via diameter dvia on the refractive index. . . 110
4.35 Parallel-plate slot antenna excited by the planar real LH single lens. . . 113
5.1 Patch antenna on a homogeneous magneto-dielectric substrate. . . 119 5.2 Microstrip patch antenna on a lossless substrate and its equivalent circuit
transmission line model. . . 120 5.3 Equivalent circuit model for the microstrip patch antenna. . . 122 5.4 Microstrip patch antenna cavity model considering the fringing elds. . . . 126 5.5 Flow chart summary summarizing the eects of the variations of patch
an-tenna performances as a function of the variations of the magneto-dielectric substrate eective parameters. . . 127 5.6 Patch antenna fed via a microstrip line on three ideal eective
homoge-neous substrates: a purely dielectric substrate (PDS), a magneto-dielectric substrate (MDS) and a purely magnetic substrate (PMS). . . 128
LIST OF FIGURES xii 5.7 Full-wave simulated return loss of the square patch antenna on a
magneto-dielectric substrate with the same eective parameters of the SIAD (εef f
= 3.3, µef f = 1.2) in comparison with a purely dielectric substrate (εef f
= 3.96, µef f = 1) and a purely magnetic substrate (εef f = 1, µef f = 3.96)
with all the same eective refractive index and the same dissipative losses operating at 1.9 GHz. . . 129 5.8 Aperture E- eld distribution of the square patch antenna on the three ideal
homogeneous substrates: PDS, MDS, PMS. . . 130 5.9 Substrate integrated arti cial dielectric (SIAD) microstrip transmission line
illustration. . . 131 5.10 SIAD prototype. . . 133 5.11 Basic operation principle of the SIAD microstrip TL. . . 135 5.12 Complete (including higher frequencies) equivalent circuit model for the
SIAD microstrip TL structure unit cell. . . 137 5.13 S-parameters of SIAD microstrip TL structure unit cell model. . . 139 5.14 S-parameters of SIAD microstrip TL structure for 30 cells long: comparison
ADS circuit model and CST model. . . 140 5.15 S-parameters for the SIAD 50Ω TL compared to those of a 50Ω TL on
a regular RT/Duroid 6002 substrate and the SIAD TL equivalent circuit model. . . 141 5.16 Experimental setup used to measure the S-parameters. . . 142 5.17 Traditional lossless TL circuit model. . . 143 5.18 Characteristic impedance of the SIAD microstrip lossless TL. . . 145 5.19 Extracted εef f and µef f for a SIAD microstrip lossless TL prototype using
(5.35) and (5.36). . . 145 5.20 SIAD eective refractive index compared to that of a regular RT/Duroid
6002 substrate. . . 146 5.21 Frequency dispersion of µef f in the SIAD. . . 147
LIST OF FIGURES xiii 5.23 Extracted characteristic impedance Zc = Re(Zc) + jIm(Zc) for the SIAD
microstrip lossy TL prototype. . . 148 5.24 SIAD microstrip lossy TL prototype. . . 149 5.25 Eect of the variation of via holes diameter d on the εef f and µef f parameters.150
5.26 Eect of the variation of isolation layer thickness h1 on the εef f and µef f
parameters. . . 150 5.27 Eect of the variation of SIAD substrate thickness h2 on the εef f and µef f
parameters. . . 150 5.28 Chart design for 1.9 GHz varying via holes diameter d (in mm) and isolation
layer thickness h1 (in mm) on the constitutive εef f and µef f parameters. . 151
5.29 Chart design for 1.9 GHz varying SIAD substrate thickness h2 (in mm) on
the constitutive εef f and µef f parameters. . . 151
5.30 Miniaturized SIAD microstrip square patch operating at 1.9 GHz. . . 152 5.31 Measured and simulated return loss of the microstrip patch antenna on
SIAD substrate (εef f = 3.3, µef f = 1.2) in comparison with the
homoge-neous host substrate (εef f = 2.35, µef f = 1) and a conventional purely
dielectric substrate (εef f = 3.96, µef f = 1) operating at 1.9 GHz. . . 154
5.32 Radiation pattern for patch antenna operating at f0= 1.9 GHz
correspond-ing to various substrates of Table 5.5. . . 156 5.33 Anechoic chamber at Poly-Grames Research Center from École
Polytech-nique de Montréal. . . 156
6.1 Plane wave scattering (2D case). . . 164 6.2 Cylinder object under oblique incidence in the elevation plane. . . 165 6.3 2D E- eld color plots of the blockage for a cylinder object at 8.5 GHz. . . . 166 6.4 Equivalent blockage width Weq for a cylinder object of physical width W
= 54.2 mm. . . 167 6.5 First method: simulation setup with CST Microwave Studio for TM
LIST OF FIGURES xiv 6.6 Second method: simulation setup with CST Microwave Studio for TM
polarization. . . 170 6.7 Fields around a perfect electric conductor (PEC) cylinder object (2D case). 171 6.8 Soft and hard surfaces. . . 172 6.9 Metallic rhombus of physical width W = 54.2 mm for ϕ = 0◦. . . 174
6.10 Equivalent blockage width under normal incidence of ideally hard cylinders with dierent basic-shaped cross-sections of physical width W = 54.2 mm. 175 6.11 Equivalent blockage width under normal incidence of ideally hard cylinders
with rhombic cross-sections of physical width W = 54.2 mm and dierent lengths L (L=2W and L=4W ). . . 175 6.12 Equivalent blockage width under normal incidence of ideally hard cylinders
with dierent star-shaped cross-sections of physical width W = 54.2 mm. . 176 6.13 Equivalent blockage width under normal incidence of rounded corner width
of the rhombic cross-section of length L=108.4 mm. . . 177 6.14 Equivalent blockage width under normal incidence of rounded corner width
of the rhombic cross-section of length L=216.8 mm. . . 178 6.15 Metallic rhombus of physical width W = 54.2 mm varying the incidence
angle ϕ in the azimuth plane. . . 178 6.16 Equivalent blockage width under variation of incidence angle ϕ in the
az-imuth plane of the rhombic cross-section of length L=108.4 mm. . . 179 6.17 Equivalent blockage width under variation of incidence angle ϕ in the
az-imuth plane of the rhombic cross-section of length L=216.8 mm. . . 179 6.18 Dielectric coating of a metallic rhombus. . . 180 6.19 2D E- eld color plots of the blockage of a rhombus (W=54.2 mm and
L=216.8 mm) for TM polarization at 8.5 GHz. . . 181 6.20 Equivalent blockage width Weq of a rhombus (W=54.2 mm and L=216.8
mm) for TM polarization under normal incidence. . . 181 6.21 TM performances for a metallic rhombus with a dielectric coating under
LIST OF FIGURES xv 6.22 TM performances for a metallic rhombus (W=54.2 mm and L=216.8 mm)
with a dielectric coating εr = 2.2 under variation of incidence angle ϕ in
the azimuth plane. . . 183 6.23 Equivalent blockage width under normal incidence of ideally PMC rhombic
cross-section of physical width W =54.2 mm and length L=2W for TM case.184 6.24 Equivalent blockage width under normal incidence of ideally PMC rhombic
cross-section of physical width W =54.2 mm and length L=4W for TM case.184 6.25 Cloaked cylinder in a rhombic cross section with hard surface covering
realized with narrow metallic strips for dual polarization cloaking. . . 186 6.26 Equivalent blockage width under normal incidence : changing the strip
period p with strip width s = 3 mm. . . 187 6.27 Equivalent blockage width under normal incidence: changing the rhombus
length L: with strip period p = 6 mm and strip width s = 3 mm. . . 187 6.28 TE and TM performances under variation of incidence angle ϕ in the
az-imuth plane: with strip period p=6 mm and with strip width s = 3 mm. . 188 6.29 Equivalent blockage width under normal incidence of a ideally PMC hard
strut with narrow metallic strips: with strip period p = 6 mm and strip width s = 3 mm. . . 189 6.30 Equivalent blockage width under variation of incidence angle ϕ in the
az-imuth plane of a ideally PMC hard strut with narrow metallic strips: with strip period p = 6 mm and strip width s = 3 mm. . . 189 6.31 Measurement setup for measuring the equivalent blockage width of scatterers.190
A.1 Simulation setup for normal incidence. . . 227 A.2 Simulation setup in CST Microwave Studio for oblique incidence. . . 228 A.3 HFSS: Mushroom unit cell. . . 229 A.4 Laser drilling machine and holes plating technology to fabricate the via holes.230 A.5 RT/Duroid 6002 data sheet. . . 232 A.6 RT/Duroid 6002 data sheet. . . 233 A.7 Two dierent metallic strut cross sections. . . 234
LIST OF FIGURES xvi A.8 Equivalent blockage width of the cylinder cross section of 6 mm diameter:
Re{Weq}. . . 235
A.9 Equivalent blockage width of the cylinder cross section of 6 mm diameter:
|Weq|. . . 235
A.10 Equivalent blockage width of the rhombic cross section of width W=6 mm:
Re{Weq}. . . 236
A.11 Equivalent blockage width of the rhombic cross section of width W=6 mm:
|Weq|. . . 236
A.12 |Weq|: Absolute value of Weqfor a metallic rhombus with a dielectric coating
for TM polarization under normal incidence. . . 237 A.13 |Weq|: TM performances for a metallic rhombus with a dielectric coating
under variation of incidence angle ϕ in the azimuth plane. . . 237 A.14 |Weq|: Equivalent blockage width under normal incidence changing the strip
period p with strip width s = 3 mm. . . 238 A.15 |Weq|: TE and TM performances under variation of incidence angle ϕ in
the azimuth plane: with strip period p=6 mm and strip width s = 3 mm. . 239 A.16 |Weq|: Equivalent blockage width under normal incidence changing the
rhombus length L with strip period p = 6 mm and strip width s = 3 mm. 239 A.17 |Weq|: Equivalent blockage width under normal incidence of a ideally PMC
hard strut with narrow metallic strips with strip period p = 6 mm and strip width s = 3 mm. . . 240 A.18 |Weq|: Equivalent blockage width of a ideally PMC hard strut under
vari-ation of incidence angle ϕ in the azimuth plane: with strip period p = 6 mm and strip width s = 3 mm. . . 240
List of Tables
I.1 Pérdidas típicas de distintas líneas [7]. . . xxvi
1.1 Comparison of the typical feeding network losses . . . 9
3.1 EBG structure dimensions for 12 GHz. . . 44 3.2 Comparison of the directivity and the aperture e ciency results for the
parallel-plate slot antenna. . . 60 3.3 EBG structure dimensions for 12.65 GHz. . . 68
4.1 Mushroom structure unit cell parameters. . . 94 4.2 Mushroom structure unit cell dimensions for εr,LH = -10.2, µr,LH = -1 (nLH
= -3.2) at 12 GHz. . . 100 4.3 Mushroom structure unit cell dimensions with εr,LH = -2.43, µr,LH = -1
(nLH = -1.56) at 12 GHz. . . 103
4.4 Mushroom structure unit cell dimensions with εr,LH = -2.43, µr,LH = -1
(nLH = 1.56) at 7.5 GHz. . . 105
5.1 Equivalence between distributed and lumped parameters for a patch an-tenna l = λg/2. . . 124
5.2 Full-wave comparisons of the performances of a square patch antenna of xed size on a PDS, a MDS and a PMS. . . 129 5.3 Characteristic impedance Zc of the inset fed microstrip line. . . 130
5.4 Complete equivalent circuit model parameters. . . 138
LIST OF TABLES xviii 5.5 Comparison between the microstrip patch antenna on the SIAD (measured
and full-wave simulated), on a PDS of the same eective refractive in-dex and the purely dielectric host substrate of the SIAD. The numbers in brackets for BW and ηrrepresent the values computed by the approximate
equations (5.8) and (5.19), respectively. . . 155
6.1 Dielectric thickness d = λ0/4
p
(εr− 1)of the substrate for dierent
Acronyms
AD Arti cial Dielectric
AMC Arti cial Magnetic Conductor CRLH Composite Right/Left Handed DBS Direct Broadcasting Satellite EBG Electromagnetic Band-Gap EM Electromagnetic
FSS Frequency Selective Surface
HFSS High Frequency Structural Simulator HIS High Impedance Surface
IFR Induced Field Ratio
LH Left Handed
MDS Magneto-Dielectric Substrate MIC Microwave Integrated Circuits
MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuits MoM Method of Moment
MTM Metamaterial
MWS Metallic Wire Substrate NRI Negative Refractive Index
PBG Photonic Band-Gap PCB Printed Circuit Board PDS Purely Dielectric Substrate PEC Perfect Electric Conductor PMC Perfect Magnetic Conductor PMS Purely Magnetic Substrate RCS Radar Cross Section RF RadioFrequency RH Right Handed
SIAD Substrate Integrated Arti cial Dielectric TE Transverse Electric
TEM Transverse Electromagnetic TL Transmission Line
TM Transverse Magnetic 2D Two Dimensional 3D Three Dimensional
VSWR Voltage Standing Wave Ratio VNA Vector Network Analyzer
Part I
Resumen ampliado (extended abstract
in Spanish)
I.1 Introducción y Objetivos
I.1.1 Motivación
Esta tesis parte fundamentalmente de la necesidad de encontrar nuevos materiales o estructuras electromagnéticas para mejorar las prestaciones de las antenas. Independien-temente de la aplicación, la continua necesidad en el área de las antenas de reducir su tamaño, de ampliar su ancho de banda, de aumentar sus características fundamentales de radiación, de que sean fáciles de fabricar, de integrar en tecnología plana, así como su bajo coste hacen que se investigue cada vez más nuevos materiales.
Las novedosas estructuras, denominadas metamateriales, son estructuras periódicas arti ciales que presentan nuevas propiedades y características electromagnéticas inusuales que no se encuentran en la naturaleza. Durante los últimos años ha existido un interés cada vez mayor en el análisis y desarrollo de estos materiales. El concepto de las es-tructuras metamateriales es uno de los temas del electromagnetismo que más rápido está avanzando y que más interés ha suscitado en los últimos tiempos. Este tema ha alcan-zado una fuerte notoriedad, hasta convertirse en una de las líneas de investigación más activas en electromagnetismo. Las ventajosas propiedades de estas estructuras arti ciales permiten un amplio rango de aplicaciones en numerosos componentes y sistemas como principalmente las antenas, circuitos de microondas y ltros. Estas estructuras han lla-mado considerablemente la atención en el área de las antenas en los últimos ocho años, aumentando de manera signi cativa su investigación como ofreciendo nuevas aplicaciones y mejoras en sus prestaciones. Aunque por el momento estas estructuras se encuentran aún en fase de investigación, en busca de posibles aplicaciones en distintas áreas, estos metamateriales van a desempeñar un papel fundamental en la provisión de nuevas fun-cionalidades y aplicaciones multifuncionales. A pesar del gran esfuerzo en investigación que se ha realizado, todavía hay un gran trabajo por realizar en el área de los metama-teriales aplicados a antenas para que estos puedan ser considerados una solución madura
xxiv en la mejora de las prestaciones de las antenas. Por ello se puede decir que el campo de los metamateriales sigue aún en un período de investigación, desarrollo y expansión donde se pueden realizar aportaciones novedosas, sobre todo pensando que se posee un bagaje su ciente en el tema de las antenas planas para abordarlo. La experiencia en diseño, análisis y construcción de antenas planas acumulada en el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid, así como la novedad y el interés que suscitan los metamateriales nos va a permitir abrir un campo de posibilidades que se pretenden explorar con esta tesis. Por lo tanto, el propósito de esta tesis doctoral es extender el conocimiento del análisis, diseño y funcionamiento de las estructuras metamateriales para contribuir, proponer y aportar posibles soluciones que ayuden a mejorar las prestaciones de las antenas planas.
I.1.2 Objetivos
El objeto principal de esta tesis doctoral es aportar conceptos y resultados novedosos en aspectos de gran interés en el ámbito de la aplicación de las novedosas estructuras metamateriales al diseño, análisis y prototipado de antenas planas. Con el objeto de mejorar las características de las antenas planas surge la idea de aplicar estas novedosas estructuras periódicas arti ciales para controlar, guiar y mejorar las características de propagación de ondas electromagnéticas y de radiación en este tipo de antenas.
La presente tesis doctoral se va a centrar en la aplicación de las estructuras metamate-riales para mejorar ciertas características eléctricas de tres tipos de antenas planas como son:
Antenas planas microstrip: consisten en un par de capas conductoras dispuestas de forma paralelas y separadas por un material dieléctrico. La con guración básica consta del elemento radiante (parche microstrip), situado sobre un plano de masa. Ambas capas se encuentran separadas mediante el material dieléctrico, comúnmente conocido como substrato. La alimentación de las antenas microstrip puede hacerse mediante línea de transmisión microstrip, por sonda coaxial, mediante acoplo por apertura o mediante acoplo por proximidad.
Antenas planas en guía de placas paralelas: como bien indica su nombre, están formadas por dos placas metálicas dispuestas paralelamente formando una guía de onda. En ella se genera un frente plano entre los dos conductores. La alimentación
xxv de la guía de onda puede realizarse desde un lateral o también desde el centro. La parte fundamental la constituye la guía de placas paralelas, la cual distribuye desde su entrada a los elementos radiantes la amplitud y fase deseada en función del diagrama de radiación a sintetizar. El espacio intermedio se rellena con aire o cualquier otro material dieléctrico. Los elementos radiantes que se suelen utilizar en este tipo de antenas son ranuras, parches microstrip o hélices. La alimentación puede hacerse mediante sondas coaxiales desde el plano de masa, mediante la utilización de una red de distribución stripline conectada a un conjunto de parches excitadores colocados en el interior de la guía o mediante ranuras excitadas por guía de onda rectangular en la cara posterior de la antena.
Re ectarrays/Transmitarrays: el principio básico de funcionamiento de un re- ectarray (o transmitarray) deriva de una idea sencilla de re exión y de transmisión de onda respectivamente, y consiste en recibir una onda electromagnética por un ali-mentador (por ejemplo una bocina) y retransmitirla. La con guración básica cons-ta de un array de elementos radiantes planos microstrip (parches, parches dobles, etc.). Cada elemento radiante de la estructura introduce un desfase necesario para que la onda re ejada (re ectarray) o transmitida (transmitarray) resultante tenga unas determinadas características de frente de onda. Un re ectarray se comporta de modo análogo a un re ector conformado. Este tipo de antenas (re ectores incluidos) utilizan soportes o mástiles de apoyo para su alimentación.
Hoy en día muchos grupos de trabajo están investigando sobre los denominados meta-materiales. Como estructuras metamateriales vamos a referirnos a los nuevos tipos de materiales periódicos construidos arti cialmente, que poseen propiedades electromagnéti-cas que no se encuentran normalmente en la naturaleza. Estas estructuras permiten manipular la propagación de ondas electromagnéticas hasta un punto que no era posible hasta ahora. Se trata de estructuras que varían de manera periódica las características materiales de un medio. De esta forma es posible conseguir una característica selectiva en frecuencia para ciertos márgenes de frecuencia, así como para ciertas direcciones del espacio. Con ellas se consiguen unas propiedades electromagnéticas que son difíciles o imposibles de conseguir con materiales convencionales y cuyas dimensiones son mucho menores que la longitud de onda. Estas propiedades hacen que estas estructuras sean útiles para la construcción de diferentes dispositivos o para mejorar su comportamiento, tanto a frecuencias ópticas como de microondas y ondas milimétricas.
xxvi Antes de proseguir con el desarrollo de este trabajo creo necesaria una justi cación básica de las antenas planas, para lo que se exponen sus principales ventajas e inconve-nientes, y se detallan algunas de sus aplicaciones. Las principales ventajas de las antenas planas son su robustez, su facilidad de construcción y su notable repetitividad en la fabri-cación, que redunda en un bajo coste. Ello es debido a que una gran parte de los elementos que la constituyen son elementos impresos que se realizan con grabado fotográ co. Así mismo, otra de las grandes ventajas de las antenas planas en guía de placas paralelas en particular, es que para agrupaciones su cientemente grandes en las que se pretende con-seguir altas ganancias, presentan una gran e ciencia. Ello es debido a que el sistema de alimentación que forma la guía biplaca de este tipo de antenas planas tiene unas pérdidas muy bajas en comparación con otros sistemas de alimentación. En la Tabla I.1 se muestra una comparativa de las pérdidas para distintos tipos de sistemas de alimentación.
Alimentación Pérdidas (dB/m) Guía de onda 0.2
Línea suspendida 1.8 - 3.0 Línea triplaca 2.7 - 5.6 Línea microtira 4 - 6
Table I.1: Pérdidas típicas de distintas líneas [7].
Entre las desventajas que encontramos en las antenas planas, la principal la constituye el ancho de banda de trabajo que no es muy grande. Si bien los parches pueden presentar un ancho de banda elevado (hasta el 30% de nido con un VSWR < 2), cuando se uti-lizan redes de alimentación serie se limita el ancho de banda. Las redes de alimentación paralelo suponen un aumento considerable de las pérdidas. Las principales aplicaciones que pueden tener las antenas planas están centradas en las antenas para microondas y ondas milimétricas. Entre ellas podemos citar las comunicaciones de difusión por satélite Digital Broadcasting System (DBS). A partir de ahí, se ha desarrollado diferentes diseños para aplicaciones del tipo: los sistemas de comunicación personal (PCS), las comunica-ciones mediante teléfono móvil (GSM, UMTS), redes de área local inalámbricas (WLAN), enlaces de microondas entre estaciones base de telefonía celular y radares anticolisión en vehículos. Como conclusión, las antenas planas son apropiadas para aplicaciones en fre-cuencias de microondas y milimétricas, donde se requiera alta ganancia con alta e ciencia y no se requiera una banda muy ancha de funcionamiento.
xxvii En la presente tesis doctoral se pretende contribuir, profundizar y realizar una impor-tante serie de aportaciones en el estudio de las potenciales aplicaciones de los metamate-riales al diseño de antenas planas en las frecuencias de microondas.
Para llevar a cabo su desarrollo se han seguido una serie de hitos que a continuación se enumeran remarcando las aportaciones que se han logrado con este trabajo:
1. Proponer posibles soluciones diseñando, modelando y aplicando estructuras AMC a antenas en guía de placas paralelas, tanto como sustitución de las paredes laterales, como estructura de guiado y control de la propagación de onda, con el objeto de mejorar las prestaciones de estas antenas, y en particular el control de la excitación de las ranuras.
2. Proponer una estructura de alimentación para antenas de array de ranuras en guía de placas paralelas basada en lentes planas realizadas con metamateriales, con lo que se pretende mejorar la uniformidad de la onda generada propagando un modo TEM en el interior de la guía rectangular cerrada sobredimensionada, y por lo tanto las características de radiación de estas antenas.
3. Proponer el diseño, análisis y desarrollo de un substrato magneto-dieléctrico arti cial para las antenas planas microstrip con el objeto de reducir su tamaño y mejorar alguna de sus prestaciones.
4. Proponer una posible solución utilizando estructuras metamateriales para mejorar el problema de la obstrucción y bloqueo de ondas electromagnéticas para los soportes o mástiles metálicos de apoyo en la alimentación de antenas, como los re ectarrays o los re ectores, con lo que se pretende mejorar sus prestaciones consiguiendo un efecto de invisibilidad de estos soportes.
Con estos objetivos se pretende que sea un trabajo de aplicaciones prácticas de los metamateriales a las antenas planas, con varias aportaciones, tanto en la parte de análisis como en la parte de diseño.
