Design and implementation of quad-band microwave devices using the negative refractive index transmission-line technique

Abstract

Ο όρος Μεταϋλικά, χρησιμοποιείται για την περιγραφή τεχνητών, σύνθετων, περιοδικών δομών με μέγεθος μικρότερο του μήκους κύματος, οι οποίες έχουν ασυνήθιστες ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες, δηλαδή ταυτόχρονα αρνητική (διηλεκτρική σταθερά και μαγνητική διαπερατότητα. Υλικά με τέτοιες ιδιότητες, δεν υπάρχουν στη φύση από μόνα τους. Αυτές οι ιδιότητες επιτρέπουν το σχεδιασμό μικροκυματικών συσκευών που είναι εγγενώς πολυσυχνοτικά και μικρότερα σε μέγεθος από τα συμβατικά αντίστοιχά τους. Στις πλείστες σύγχρονες ασύρματες συσκευές, η δυνατότητα πολλαπλών συχνοτήτων επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μία αρχιτεκτονική συνάθροισης υποσυστήματων, στην οποία το κάθε υποσύστημα λειτουργεί σε μία μόνο ζώνη συχνοτήτων. Αυτό το είδος της σχεδιασμού συστημάτων, έχει ως αποτέλεσμα τη χρήση περισσοτέρων στοιχείων, γεγονός το οποίο αυξάνει το κόστος, την πολυπλοκότητα και το μέγεθος της συσκευής. Κατά τη διάρκεια της περασμένης δεκαετίας, οι προσπάθειες για την κατασκευή μικροκυματικών συσκευών που να λειτουργούν σε δύο συχνότητες χρησιμοποιώντας μεταϋλικά ήταν πολλές. Έχει αποδειχτεί ωστόσο ότι ο σχεδιασμός και κατασκευή τετραζωνικών συσκευών, ήταν πιο δύσκολος. Ο κύριος στόχος αυτής της έρευνας ήταν η σχεδίαση, ανάπτυξη και κατασκευή παθητικών τετραζωνικών συσκευών, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία μεταϋλικών, που μπορεί τελικά να χρησιμοποιηθεί σε ένα σύστημα πολλαπλών συχνοτήτων. Ένας άλλος στόχος ήταν να αναπτύξει τη μεθοδολογία σχεδιασμού για την υλοποίηση των τετραζωνικών συσκευών, η οποία είναι απαραίτητη για την εξάπλωση της τεχνολογίας αυτής. Το κίνητρο πίσω από αυτό, είναι το γεγονός ότι κατά την προσπάθεια να σχεδιάσουν πρακτικές και πραγματοποιήσιμες συσκευές, πρέπει κανείς να λάβει υπόψη τις γραμμές μεταφοράς υποδοχής. Σε αντίθετη περίπτωση, απαιτούνται πολλές επαναλήψεις του σχεδιασμού πριν από την επίτευξη των στόχων του σχεδιασμού. Η θεωρία που αναπτύχθηκε, λαμβάνει υπόψη το γεγονός αυτό και η προδιαγραμμένη απόδοση επιτυγχάνεται με μικρές μόνο αλλαγές. Κατά τη διάρκεια της έρευνας αυτής, έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί παθητικές τετραζωνικές συσκευές μεταϋλικών, όπως για παράδειγμα διαιρέτες ισχύος, συζεύκτες και φίλτρα, τα οποία αποτελούν αναπόσπαστα τμήματα υποσυστημάτων, όπως μίκτες, ενισχυτές και μετασχηματιστών φάσης. Τα αποτελέσματα της χρήσης της των γραμμών μεταφοράς, δηλαδή της παρασιτικής χωρητικότητας, επαγωγής, αντίστασης και αγωγιμότητας, λαμβάνονται υπόψη και χρησιμοποιώντας τη θεωρία που αναπτύχθηκε, μπορεί να επιτευχθεί πραγματοποιήσιμος σχεδιασμός τετραζωνικών συσκευών μεταϋλικών.

Metamaterials is a general term for artificial, composite, subwavelength periodic structures that have unusual electromagnetic properties (simultaneously negative permittivity and permeability) not found in any known media in nature. Such properties enable the design of microwave devices that are inherently multiband and smaller than their conventional counterparts. In most modern wireless devices, multiband capability is achieved using a stacked architecture of subsystem blocks, each operating at a single frequency band.This type ofdesign results in redundant hardware being used which increases the cost, complexity and size ofthe device. During the past decade, attempts for construcfing dual-band microwave components using metamaterials were numerous. Quad-band devices however have been more challenging to design and fabricate. The main objective of this research was the design, development and fabrication of passive quad-band components using metamateriai technology which can ultimately be used in a multiband system. Another goal was to establish a design methodology forthe realization of quad-band devices which is essential to the spread of this technology. The motivation behind this is the fact that when trying to design practical and realizable devices, one must takeinto account the effects ofthe host transmission lines. Otherwise, too manydesign iterations are required before reaching the design goals. The theory developed takes ihis into account and performance is achieved with only minor changes. Thedesign of passive metamateriai quad-band components, namely, dividers, rat-race couplers and filters has been performed, which are integrai parts of subsysiem blocks such as mixers, amplifiers and phase shifters. The effects of parasitic capacitance, inductance, resistance and conductance are all taken into account and using the theory developed, reaiizable quad-band metamateriai devices can be achieved.