Titre original :

Performance enhancement of integrated antennas using metamaterials and characteristic mode theory

Titre traduit :

Amélioration des performances des antennes intégrées à l'aide de métamatériaux et de la théorie des modes caractéristiques

Mots-clés en français :
  • Approche modale
  • Camouflage électromagnétique

  • Antennes miniatures
  • Métamatériaux
  • Énergie -- Stockage
  • Langue : Anglais
  • Discipline : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
  • Identifiant : 2020LIL1I039
  • Type de thèse : Doctorat
  • Date de soutenance : 30-11-2020

Résumé en langue originale

La demande de systèmes sans fil mobiles miniaturisés a accru le besoin d'intégrer des antennes électriquement petites qui se caractérisent généralement par de mauvaises performances et un faible rendement. Des approches telles que l'utilisation de diélectriques, de fentes, de composants parasites,… ont été appliquées au fil des années pour améliorer les performances de telles antennes. La plupart des méthodes existantes sont empiriques et basées sur des optimisations chronophages. D'autres approches comme l'optimisation du courant d'antenne basée sur l'analyse modale sont des approches systématiques qui ont été proposées. Il a également été montré que l'utilisation de matériaux artificiels appelés inclusions de métamatériaux comme élément parasite permet d'améliorer les performances de l'antenne à moindre coût. Cependant, le choix de la bonne inclusion pour une conception d'antenne est compliqué, en particulier lorsque l'antenne est non canonique et arbitraire.Dans cette thèse, nous proposons une méthode systématique pour améliorer les performances de l'antenne en utilisant l'inclusion de métamatériaux. La méthode est utilisée pour concevoir une antenne inspirée des métamatériaux avec le potentiel d'analyser à la fois les propriétés de rayonnement et de diffusion de la conception inspirée des métamatériaux. Il utilise l'approche modale caractéristique pour évaluer l'énergie quantitative stockée des inclusions de métamatériaux qui fournissent des informations quantitatives sur le comportement en champ proche de l'inclusion. L'approche modale de l'énergie stockée est comparée à l'approche des paramètres efficaces pour décrire les inclusions et elles montrent toutes deux une bonne concordance qualitative. Dans le processus de conception inspiré des métamatériaux, un mode caractéristique est appliqué pour obtenir un aperçu des propriétés de rayonnement de la structure et l'inclusion est choisie pour compenser l'énergie stockée de l'élément d'antenne en fonction de sa quantité d'énergie stockée modale. Le couplage entre l'antenne et l'inclusion est analysé en utilisant le coefficient de couplage intermodal. Il représente la diffusion entre l'antenne et l'inclusion et définit comment la distance de positionnement et de séparation entre les deux éléments affecte les performances globales du système inspiré des métamatériaux. La méthodologie proposée est validée avec un prototype qui montre une bonne concordance entre le résultat simulé et mesuré. La méthode proposée est en outre appliquée dans l'analyse de l'amélioration de l'antenne intégrée en utilisant le camouflage électromagnétique. Le manteau se couple à l'élément dans son voisinage et permet à l'élément d'antenne actif de fonctionner avec un meilleur rendement de rayonnement. La méthode proposée est donc diverse et utile pour la conception future de systèmes inspirés des métamatériaux avec des performances améliorées.

Résumé traduit

The demand for miniaturized mobile wireless systems have increased the need to integrate electrically small antennas which are generally characterized by poor performances and low efficiency. Methods such as the use of dielectric, slots, parasitic components, … have been applied over the years to enhance the performance of such antennas. However they are empirical and based on time-consuming optimisations. Other methods like antenna current optimization based on modal analysis are systematic methods which have been proposed. It has also been shown that the use of artificial materials known as metamaterial inclusions as parasitic element help to improve antenna performance at lower cost. The choice of the right inclusion for an antenna design is complicated especially when the antenna is non-canonical and arbitrary.In this thesis, we propose a systematic method for enhancing the performance of antenna using metamaterial inclusion as a parasitic element. The method is used for designing parasitic metamaterial antenna with the potential to analyse both the radiation and scattering properties of the parasitic metamaterial design. It uses the characteristic modal method to evaluate the quantitative stored energy of metamaterial inclusions which provide quantitative information on the near-field behaviour of the inclusion. The modal stored energy method is compared to the effective parameter method for describing inclusions and they both show good qualitative agreement. In the parasitic metamaterial antenna design process, characteristic mode is applied to get an insight into the radiation properties of the structure and an inclusion is chosen to compensate the stored energy of the antenna element based on the quantity of its modal stored energy. The coupling between the antenna and the inclusion is analysed using the inter-modal coupling co-efficient. It represents the scattering between the antenna and the inclusion and defines how the positioning and separation distance between the two elements affect the overall performance of the metamaterial-inspired system. The proposed methodology is validated with a prototype that show a good agreement between the simulated and measured result. The method is further applied in investigating the enhancement of integrated antenna using electromagnetic cloaking. The cloak couples to the passive element in its vicinity and allow the active antenna element to operate with a better radiation efficiency. The proposed method show usefulness for future design of parasitic metamaterial systems with enhanced performance.

  • Directeur(s) de thèse : Seetharamdoo, Divitha - Berbineau, Marion
  • Laboratoire : Laboratoire électronique ondes et signaux pour les transports (Villeneuve-d'Ascq, Nord)
  • École doctorale : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille)

AUTEUR

  • Chukwuka, Ozuem Anthony
Droits d'auteur : Ce document est protégé en vertu du Code de la Propriété Intellectuelle.
Accès libre