Microwave Metamaterials for Compact Filters and Antennas

In dieser Arbeit werden die grundlegenden Eigenschaften negativer Permeabilität, Permittivität und linkshändiger Materialien(LHM) beim Entwurf von Antennen und Filtern als potenzielle Anwendungen in der Mikrowellentechnik erforscht. Bei der Untersuchung grundlegender Eigenschaften und Design-Methoden von Metamaterialien, widmet sich diese Arbeit zunächst den künstlichen magnetischen Materialien. Diese künstlichen magnetischen Materialien liegen in Form von metallischen Zylindern mit oder ohne Spalten oder Spaltringresonatoren vor. Approximierte Formulierungen für die effektive Permeabilität werden abgeleitet. Die Berechnungen der Transmissions-/Reflexionsparameter von konzentrischen Zylindern mit Spalten werden auf analytischem Wege und numerisch durchgeführt. Die Resonanzfrequenz der Spaltringresonatoren ist nach einem quasistationären Ansatz berechnet worden. Zur Untersuchung eines homogeneren Materialdesigns, wird ein fraktaler Spiralresonator als Einheitszelle mit negativer Permeabilität zum Einsatz gebracht. Die effektive Permeabilität ist negativ im gesamten Bereich zwischen der magnetischen Plasma- und Resonanzfrequenz. Eine zweite Art künstlicher Materie, bestehend aus periodisch angeordneten metallischen Drähten, wird durch analytische und numerische Berechnungen untersucht. Die effektive Permittivität weist eine Frequenzabhängigkeit nach dem Drude-Modell auf und ist negativ bei Frequenzen unterhalb der Plasmafrequenz. Um stärker homogenisierte Metamaterialien zu entwickeln, wird ein fraktaler Antispiralresonator als Einheitszelle eines Materials mit negativer Permittivität untersucht. Das Material weist negative Permittivität zwischen der elektrischen Plasma- und Resonanzfrequenz auf. Als letzte Untersuchung wird das LHM Design erforscht. Die Eigenmodegleichung eines rechteckigen Hohlleiters, der periodisch mit Zellen negativer Permittivität und Permeabilität bestückt ist, wird analytisch und numerisch berechnet. Das linkshändige Transmissionsband ist der Überlappungsbereich des negativen Permittivitäts- und Permeabilitätsbands. Eine kompakte Zellgeometrie, die auf Spiralresonatoren basiert, welche mit Drähten belastet ist, wird als Alternative zu den herkömmlichen Zelldesigns untersucht. Als nächstes werden zwei mögliche Anwendungsbereiche in der Mikrowellentechnik untersucht. Der erste Bereich ist Antennendesign. Zwei Meta-Antennen werden untersucht. Die erste Antenne ist eine breitbandige Dipolantenne, bei der die Dipolelemente durch LHM Einheitszellen in Form eines Arrays belastet werden. Die Breitbandigkeit dieser Antenne wird durch experimentelle und numerische Ergebnisse bestätigt. Die zweite Antenne ist eine Schlitzantenne, welche mit elektrischen und magnetischen Dipolen in Form von geschlitzten Metamaterialzellen im Abstrahlelement gestaltet wird. Die Antenne ist schmalbandig mit hoher Abstrahleffizienz und Gewinn. Die zweite Anwendung ist der Filterentwurf. Zwei Meta-Filter sind untersucht. Der erste Filter ist ein kompakter Bandsperrfilter, welcher durch galvanische Kopplung von vier LHM Zellen in der Form von λ/4-Resonatoren mit Speiseleitung gestaltet wird. Das zweite Design ist ein kompakter Bandpassfilter, der durch Kopplung von zwei Elementarzellen, die direkt mit der Speiseleitung verbunden sind, entworfen ist. Ein Vorteil der beiden Filter ist, dass es keine Notwendigkeit für eine Anpassungsschaltung gibt, wodurch die Filtergröße deutlich reduziert wird.

Author dc:creator

• Palandöken, Merih

Advisor dc:contributor.advisor

• Henke, Heino

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-37561
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3414

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/3711