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Novel Planar Metamaterial Resonators - Design and Study
Ibraheem Al- Naib (Broschiert, Englisch)
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Beschreibung
Digitale Kommunikation ist eins der am schnellsten voranschreitenden Forschungsgebiete, stets getrieben von der exponentiell wachsenden Nachfrage nach höheren Bandbreiten im Informationsaustausch. Trotz der zahlreichen Bemühungen zur Entwicklung von energiesparenden, miniaturisierten Hochfrequenzbauteilen, machen komplexe Randbedingungen im Entwurf- und Herstellungsprozess die Entwicklung von… ultrakompakten und einfach integrierbaren Mikrowellenkomponenten zu einer herausfordernden Aufgabe.
Um hocheffiziente Komponenten wie Filter und Koppler zu realisieren werden viele periodisch angeordnete Basiszellen benötigt. Die Abmessungen sind dabei vergleichbar oder größer als die jeweilige Wellenlänge. Durch die Entdeckung von Metamaterialien, einer neuen Klasse von künstlichen Materialien mit nahezu frei einstellbaren dielektrischen Eigenschaften in einem begrenzten Frequenzband, sind jedoch neue Perspektiven im Resonatordesign entstanden. Metamaterialien bieten einzigartige elektromagnetische Eigenschaften, die sonst nicht in der Natur beobachtet werden können. Diese weisen zudem Dimensionen im Sub-Wellenlängenbereich auf.
Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt im Entwurf und der Realisierung neuer Resonatoren für den Mikrowellen- und Terahertzbereich. Sowohl als Filter als auch als Sensoren können diese Resonatoren eingesetzt werden. Zunächst wird eine Reihe neuer Strukturen für Filterapplikationen besprochen, die nur aus einer einzelnen Metallschicht bestehen - eine weltweite Neuerung. Basierend auf der gleichen Idee werden im Anschluss weiterentwickelte, miniaturisierte Resonatoren untersucht.
Die zeitliche Verzögerung durch Mikrowellenfilter - sprich die effektive Gruppengeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen in einer solchen Komponente - trägt auch bei kompakten Resonatoren oft signifikant zur Gesamtverzögerung des Mikrowellenschaltkreises bei. Besonders in Radar- und Ultraweitband-Systemen, aber auch generell bei schnurloser Kommunikation, ist die Betrachtung der Gruppengeschwindigkeit von großer Bedeutung. Die mögliche Bitrate dieser Systeme ist durch die Gruppenverzögerung der Systemkomponenten begrenzt. Daher wird in meiner Arbeit dieser Parameter anhand von koplanaren Wellenleiterstrukturen, welche mit Split-Ring-Resonatoren belastet sind, untersucht.
Abschließend werden Frequenzselektive Oberflächen (FSS), die auch als planare Metamaterialien bekannt sind betrachtet, da sie als hocheffiziente Filter oder Sensoren eigesetzt werden können. Da konventionelle FSSs nicht die benötigte Feldbegrenzung erbringen können, die für hoch qualitative Resonatoren benötigt wird, finden in dieser Arbeit eine neue Art von asymmetrischen Resonatoren Einsatz. Diese Strukturen eignen sich insbesondere für die Analyse von Dünnfilmen, da sie eine hohe Sensitivität und eine gute räumliche Begrenzung der aktive Sensorfläche ermöglichen. Anstelle eines konventionellen Freistrahl-FSS-Aufbaus wird ein einmodiger Rechteckhohleiter verwendet in dem zentriert ein asymmetrischer „double-split“ Resonator (aDSR) eingebracht wird. Das Sensorkonzept kann duch Miniturisierung (das heißt lineare Skalierung der Geometrie) auch für Applikationen in höheren Frequenzbereichen, z.B. im Terahertzbereich, eingesetzt werden. Die aDSR Strukturen weisen eine Stopbandcharakteristik auf. Einige Applikationen benötigen jedoch ein inverses verhalten, das heißt eine Bandpassfilterung. In der Arbeit wird gezeigt, dass durch Anwendung des Babinetprinzips auf die aDSR Strukturen genau ein solches Verhalten erreicht werden kann. Der Q-Faktor der Strukturen ist deutlich höher als der von gewöhnlichen Resonatoren. Jedoch wäre eine weitere Verringerung der geometrischen Abmaße vorteilhaft. Daher stelle ich abschließend in dieser Arbeit „single-split“ Resonatoren vor, die neben einer reduzierten Größe zusätzlich auch eine deutlich verbesserte Frequenzcharakteristik aufweisen.
Abstract
One of the most important developing fields is that of digital communication. This is due to the demand for an increasingly higher speed in the exchange of information, which is presently growing at an exponential rate. In fact, considerable efforts have been made towards the realization of low-power miniaturized radio frequency components. However, issues related to design and fabrication of efficient, ultra-compact, and easily integrate-able microwave components appear to be challenging. Many unit cells are needed in order to achieve high efficiency components, such as filters and couplers, whose dimensions are comparable or larger than a single wavelength cycle. However, during the past decade, metamaterials, a novel class of artificial materials, have become a field of active research in physics and engineering. These metamaterials offer unique electrodynamic properties, which are neither available in any natural material nor observable in the materials presently used in state-of-the-art technology. Furthermore, a metamaterials unit cell is much smaller than the wavelength of reference.
The main objective of my dissertation was to design and realize new resonator structures to meet the challenges of simple, high performance, and miniaturized microwave circuits as well as terahertz components for filtering and sensing applications. First of all, I suggested a series of novel structures for filter applications. They consist of only a single metal layer, an approach which I suggested for the first time worldwide. Later on, I realized more advanced miniaturized resonators based on the same idea.
Secondly, although microwave filters are often physically very compact, they can contribute significantly to the delay in microwave circuits. The study of the group delay is very important in radar and ultra-wideband communication systems. Moreover, group delay issues are crucial in wireless communication systems. The bit rate of such systems is highly affected by the group delay of the system's components. Therefore, studying the group delay behavior for microwave filters is quite important from a system perspective. My work presents a study on the group delay behavior of coplanar waveguide structures loaded with pairs of split-ring resonators and strip lines.
Finally, frequency selective surface (FSS) devices (also known as planar metamaterials) are highly desirable for efficient sensor and filter designs. Conventional FSSs are simply unable to provide the large-volume confinement of the electromagnetic field necessary to support high quality (-Q) resonances. A new kind of asymmetrical resonators is exploited for thin-film sensing. It offers a very high sensitivity at very small scales. Instead of a conventional FSS free-space setup, a single mode rectangular waveguide has been employed with a single asymmetrical double split resonator (aDSR) positioned inside. The above sensor concept can be easily miniaturized through the linear scaling of its geometrical dimensions for sensing applications at higher frequencies, e.g. in the terahertz regime. While aDSRs provide a stopband behavior, many applications require just the dual response, i.e. a passband characteristic. I appeal to this need by applying Babinet's principle to aDSRs. The resulting structures are complementary aDSRs, which offer the desired dual behavior. The Q-factor of the above structures is much higher than that of conventional resonators, however the size needs to be further reduced. This motivates me to propose a new structure with single split geometry. Not only it has much better performances, but its size is less than half that of aDSRs. 16,00 €
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Technische Daten
Erscheinungsdatum
14.01.2010
Sprache
Englisch
EAN
9783869552347
Herausgeber
Cuvillier Verlag
Sonderedition
Nein
Autor
Ibraheem Al- Naib
Seitenanzahl
116
Auflage
1
Einbandart
Broschiert
Schlagwörter
Hochfrequenztechnik
Höhe
2100 mm
Breite
148 cm
Hersteller: Cuvillier, Nonnenstieg 8, Göttingen, Deutschland, 37075, info@cuvillier.de, info@cuvillier.de
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