• Non ci sono risultati.

Analysis and Modeling of High-Impedance Surfaces for the Design of Electromagnetic Absorbers and Antennas

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Condividi "Analysis and Modeling of High-Impedance Surfaces for the Design of Electromagnetic Absorbers and Antennas"

Copied!
26
0
0

Testo completo

(1)

Autore: 

Filippo Costa ______________ 

Relatori:  Presidente del Corso: Prof.  Agostino Monorchio  ______________         Prof. Marco Raugi         _____________  Prof.  Giuliano Manara      ______________  Prof.  Paolo Nepa       ______________ 

Analysis and Modeling of High-Impedance

Surfaces for the Design of Electromagnetic

Absorbers and Antennas

Anno 2010 

UNIVERSITÀ DI PISA

 

Scuola di Dottorato in Ingegneria “Leonardo da Vinci” 

 

Corso di Dottorato di Ricerca in  

Applied Electromagnetism in electrical and biomedical  

engineering, electronics, smart sensors, nano‐technologies 

SSD ING‐INF/02 

(2)

          Analysis and Modeling of High‐Impedance Surfaces for the Design of Electromagnetic  Absorbers and Antennas    Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione  Università di Pisa        Copyright © Filippo Costa, 2010      Manuscript Accepted on  January 19, 2010                 

(3)

 

If a man will begin with certainties,  

he shall end in doubts,  

but if he will content to begin with doubts,  

he shall end in certainties.  

Francis Bacon (1562 – 1626) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Truth is ever to be found in simplicity,  

and not in the multiplicity  

and confusion of things 

Isaac Newton (1643 – 1727) 

(4)

 

 

(5)

Abstract

 

High‐impedance  surfaces  (HIS)  are  resonant  cavities  synthesized  by  printing  a  periodic frequency selective surface (FSS) on the top of a grounded dielectric slab. The  use  of  such  metasurfaces  allows  to  achieve  remarkable  improvements  in  the  performance of several microwave devices.  

The first part of the thesis is dedicated to the modeling of high‐impedance surfaces  and  frequency  selective  surfaces  which  constitute  the  key  element  of  the  HIS  structures. A model for analyzing frequency selective surfaces is first introduced and  then employed also in the analysis of high‐impedance surfaces. The circuital approach  is also employed to derive a new definition of the bandwidth of the metasurfaces.  

High‐impedance surfaces are employed in the design of low‐profile antennas and  ultra‐thin electromagnetic absorbers. In the latter case thin high‐impedance surfaces  are  used  to  replace  the  typical  quarter‐wavelength  grounded  dielectric  slab  making  the  absorbing  structure  much  thinner.  Most  part  of  this  thesis  is  dedicated  to  this  issue  and  in  particular  the  physical  mechanisms  leading  to  the  absorption  of  electromagnetic  waves  are  studied  by  the  aforementioned  transmission  line  model.  Different designs based on resistive frequency selective surfaces for synthesize thin,  wideband and lightweight absorbers with enhanced performances with respect to the  available solution are proposed and analyzed. Other techniques  as the use of vias as  instrument to enlarge the operating bandwidth for oblique incidence and the use of  the HIS boundary in place of the electrical one in classical commercial absorbers are  proposed.  

High‐impedance  surfaces  are  also  employed  as  ground  plane  for  make  an  horizontal dipole to radiate efficiently. In this configuration, the interaction between  the  wire  antenna  and  the  high‐impedance  surface  excites  complex  waves  and   generates  different  resonant  phenomena  that  require  a  rigorous  analysis.  The  problem  is  thoroughly  analyzed  by  breaking  up  the  problem  in  two  different  contributions  depending  on  the  surface  waves  that  are  allowed  to  propagate  in  the  HIS  structure  and  important  design  rules  are  derived.  The  validity  of  the  homogeneization  models  for  approximating  the  finite  antenna  structure  is  also  addressed. The last part of the thesis deals with the so‐called Fabry‐Perot antenna in 

(6)

which high‐impedance surfaces are used to strongly reduce the height of this antenna  which  typically  is  equal  to  a  half  wavelength.  In  particular  the  thesis  describes  an  active  structure  which  is  able  to  work  as  a  tunable  high‐gain  antenna  over  a  wide  band.  

The  presented  theoretical  work  is  supported  by  several  experimental  demonstrations.  

(7)

   

Sommario 

Le Superfici ad alta Impedenza (HIS) sono cavità risonanti sintetizzate stampando una  superficie  selettiva  in  frequenza  periodica  su  un  substrato  dielettrico  con  back  metallico.  L’uso  di  queste  nuove  superfici  (metasuperfici)  permette  di  conseguire  importanti miglioramenti nelle prestazioni di numerosi dispositivi a microonde.  

La  prima  parte  della  tesi  è  dedicata  alla  modellizzazione  di  superfici  ad  alta  impedenza e superfici selettive in frequenza le quali costituiscono l’elemento chiave  delle HIS. Un modello per le superfici selettive in frequenza è inizialmente introdotto e  poi in seguito impiegato anche nell’analisi di superfici ad alta impedenza. L’approccio  circuitale  è  inoltre  impiegato  per  derivare  una  nuova  definizione  della  banda  delle  cosiddette metasuperfici.  

Le  superfici  ad  alta  impedenza  sono  impiegate  sia  per  progettare  antenne  sia  assorbitori elettromagnetici ultra‐sottili. Nel caso degli assorbitori, la superfici ad alta  impedenza sono impiegate al fine di sostituire il tipico strato di dielettrico con back  metallico  pari  ad  un  quarto  di  lunghezza  d’onda  in  modo  tale  da  realizzare  una  struttura molto più sottile. Parte della tesi è dedicata all’argomento degli assorbitori  ed  in  particolare  sono  studiati,  attraverso  il  sovra  menzionato  modello  a  linea  di  trasmissione,  i  meccanismi  fisici  alla  base  dell’assorbimento  delle  onde  elettromagnetiche. Diversi design di assorbitori resistivi sono analizzati con la finalità  di sintetizzare sia strutture a banda stretta sia strutture a banda larga con prestazioni  molto migliorate rispetto alle soluzioni esistenti. Sono state inoltre analizzate tecniche  progettuali che vedono l’impiego di vias metalliche per migliorare l’assorbimento ad  incidenza obliqua per la polarizzazione TM e l’impiego di superfici ad alta impedenza  da usare in luogo del back metallico in assorbitori di Salisbury convenzionali.  

Le  superfici  ad  alta  impedenza  sono  inoltre  impiegate  nella  realizzazione  di  antenne  come  piano  di  massa  in  modo  tale  da  permettere  ad  un  dipolo  posto  orizzontalmente alla superficie di irradiare efficientemente. In questa configurazione,  l’interazione  tra  l’antenna  e  la  superficie  HIS  da  luogo  ad  onde  complesse  le  quali  generano  differenti  fenomeni  risonanti.  Tale  problema  è  analizzato  rigorosamente 

(8)

scomponendolo  in  due  diversi  contributi  a  seconda  delle  onde  superficiali  che  sono  supportate dalla struttura. Tale analisi ha permesso di ricavare interessanti regole di  progettazione  della  struttura.  Inoltre  è  analizzata  la  validità  dei  modelli  basati  sull’omogeneizzazione  per  approssimare  la  struttura  radiante  finita.  L’ultima  parte  della tesi è dedicata alle cosiddette antenne Fabry‐Perot nelle quali le superfici ad alta  impedenza sono impiegate al fine di ridurne l’altezza che tipicamente è pari a mezza  lunghezza d’onda. In particolare nella tesi è analizzata una struttura attiva in grado di  lavorare come un’antenna ad alto guadagno tunabile su una larga banda.   Il lavoro teorico presentato è inoltre validato attraverso numerose dimostrazioni  sperimentali. 

(9)

    ix 

Contents 

INTRODUCTION AND OUTLINE ... 1  1.1  Overview ... 1  1.2  Frequency Selective Surfaces ... 2  1.2.1  FSS model ... 3  1.3  High­Impedance Surfaces ... 3  1.3.1  Analysis of HIS Bandwidth ... 4  1.4  Applications: Electromagnetic Absorbers ... 4  1.4.1  Thin absorbers based on resistively loaded HIS ... 5  1.4.2  Salisbury screen with reactive ground plane ... 6  1.5  Applications: Antennas ... 7  1.5.1  Low­profile antennas ... 9  1.5.2  Active Fabry­Perot Antennas ... 10 

FREQUENCY SELECTIVE SURFACES ... 11 

2.1  Historical notes ... 11  2.2  Analysis of FSS ... 12  2.3  Modeling of FSS – Literature Review ... 13  2.4  Thesis contribution: FSS lumped model ... 14  2.4.1  Freestanding single resonant FSS... 17  2.4.2  Physical meaning of the lumped parameters ... 22  2.4.3  Loaded single resonant FSS ... 23  2.4.4  Double resonant FSS ... 25  2.5  Generalization of the Lumped Model ... 27  2.5.1  Cell periodicity ... 27  2.5.2  Dielectric effect ... 28  2.5.3  Oblique incidence ... 31  2.5.4  Validation of the model ... 32 

(10)

Contents       x  3.1  Overview ... 37  3.2  Modeling of HIS without vias ... 39  3.2.1  Averaged approach ... 40  3.2.2  Thesis contribution: Semi­analytical approach for HIS  comprising arbitrary FSS elements ... 41  3.3  Thesis contribution: Bandwidth of high­impedance surfaces... 46  3.4  HIS with vias ... 53  3.4.1  Experimental verification of the absence of spatial dispersion in  Mushroom structures ... 55  3.5  Surface waves on HIS ... 58  APPLICATIONS: ELECTROMAGNETIC ABSORBERS ... 63  4.1  Literature review ... 63  4.2  Thesis contribution: Thin electromagnetic absorbers with  resistively loaded HIS ... 65  4.2.1  Relation between lumped circuit resistance R and FSS surface  resistance RS ... 67  4.2.2  Narrow band configuration ... 70  4.2.3  Oblique incidence with and without vias ... 71  4.2.4  Wideband configuration ... 74  4.2.5  Experimental Verification ... 78  4.3  Thesis contribution: Salisbury screen with reactive ground plane   80  4.3.1  Numerical results ... 82  4.3.2  Experimental results ... 85  4.3.3  Active configuration ... 87 

APPLICATIONS: LOW­PROFILE ANTENNAS ... 91 

5.1  Literature review ... 91  5.2  Overview of the proposed analysis ... 92  5.3  Thesis contribution: Antenna properties within the TM zone... 93  5.3.1  Short dipole on grounded dielectric slab ... 93  5.3.2  Short dipole on high­impedance surface ... 95  5.3.3  Effect of vias ... 97  5.4  Thesis contribution: Antenna properties within the TE zone ... 100  5.5  Thesis contribution: Homogenized approximation of finite­size  HIS in low­profile antenna design ... 105 

(11)

xi          Contents 

5.5.1  Results ... 108 

5.6  Thesis contribution: A practical design ... 113 

5.7  Thesis contribution: Active configuration ... 114 

5.7.1  Steering properties ... 117 

APPLICATIONS: FABRY­PEROT (LEAKY WAVE) ANTENNAS ... 121 

6.1  Overview ... 121  6.2  Literature review ... 122  6.3  Transmission line model ... 123  6.4  Thesis contribution: Tunable and steerable design ... 127  6.4.1  Effect of the angular dependence of the FSS impedance on the  radiation pattern ... 130  CONCLUSION ... 133  REFERENCES ... 137  LIST OF PUBBLICATIONS ... 147   

(12)

 

 

(13)

    xiii 

Preface 

This thesis summarizes the activities developed during the my Doctoral course. The  work has been mainly developed at the Department of Information Engineering of the  University  of  Pisa  under  the  supervision  of  Professors  Agostino  Monorchio  and  Giuliano  Manara.  Part  of  the  work  has  been  developed  at  the  Department  of  Radio  Science  and  Engineering  of  TKK  Helsinki  University  of  Technology  under  the  supervision of Professors Sergei Tretyakov and Constantin Simovski.  

I  want  to  thank  all  my  supervisors  for  the  opportunity  to  develop  free  research  activity. Especially, I want to express my gratitude to Professor Agostino Monorchio  for his precious guidance and for his confidence in my capabilities. I want also thank  Professor  Sergei  Tretyakov  for  the  kind  hospitality  in  his  department  and  in  his  a  highly recognized research group. The stimulating discussions we have had together  with Olli, Constantin and the other colleagues have shaped my approach to research.  During the months I have spent in Finland I have found a great atmosphere and really  nice  colleagues.  I  would  like  to  thank  Olli  (Luukkonen)  for  his  kindness  and  his  hospitality, Pekka (Alitalo) and Antti (Karinainen), the other colleagues of the Sergei’s  group, for their nice coffees and the time we enjoyed together, Tero, Aleksi, Juho and  all the other colleagues I have met during my staying.  

Part  of  the  work  in  Italy  have  been  developed  in  collaboration  with  my  colleagues  Simone  (Genovesi),  Giacomo  (Bianconi),  Claudio  (Amabile),  Enrico  (Prati)  and  Salvatore  (Talarico)  who  I  thank  for  their  valuable  contribution.  I  also  thank  all  the  former  and  present  colleagues  of  the  Microwave  and  Radiation  Laboratory  for  the  time  enjoyed  together.  I  mention  their  names  hoping  not  forgetting  anyone:  Prof.  Paolo  Nepa,  Gianni  (Tiberi),  Andrea  (Serra),  Alice  (Pellegrini),  Stefano  (Bertini),  Alessandro  (Corucci),  Eugenio  (Lucente),  Sara  (Mugnaini),  Anda  (Guraliuc),  Alessio  (Brizzi),  Chiara  (Pelletti),  Andrea  (Cacciamano),  Alessandro  (Rogovich),  Nunzia  (Fontana),  Alice  (Buffi),  Roberto  (Caso),  Marco  (De  Gregorio),  Davide  (Bianchi),  Pierpaolo (Usai), Luigi (Avagliano), Giuseppe (Vastante).  

(14)

Preface       xiv 

I  cannot  forget  to  acknowledge  all  my  friends  out  from  the  ‘electromagnetic  world’  who  gave  me  the opportunity  to  spend nice  days  during  these  years.  ArDo, Cecca  &  Moncy my friends of always who represent a milestone in my life.  A big thank goes  also  to  Luca,  Novella,  Alba,  Sabrina,  Cristina,  Valentina,  Silvia,  Simone,  Galo,  Ludo,  Sergio,  Donatella,  Nicola,  Martina  and  all  other  friends  of  mine  with  whom  I  have  shared my time during these years.   

The  most  heartfelt  gratitude  goes  to  my  parents  Ottavio  e  Norma,  my  grandparents  Flora and Fernando, to my brother Stefano and to Rossella for the support during the  whole  course  of  my  studies  (Grazie!).  Deep‐felt  thanks  also  go  to  Orazio,  Brunella,  Monica and Andrea.  

Finally, my dearest thank is to my sweat girlfriend Elisa for her love, her support and  her high regard for my capabilities.  

(15)

 

 

Acronyms List 

AMC   Artificial Magnetic Conductor  EBG   Electromagnetic band‐gap  EMC   Electromagnetic Compatibility  FBR   Front to Back Ratio  FEM   Finite Element Method  FDTD   Finite Difference Time Domain  FSS   Frequency Selective Surface  IEM   Integral Equation Method  HIS   High‐impedance Surface  HFSS   High‐Frequency Structure Simulator  MoM   Methods of Moments  PCB   Printed Circuit Board  PEC   Perfect Electric Conductor  PMC   Perfect Magnetic Conductor  RAM   Radar Absorbing Material  TE   Transverse Electric  TL   Transmission Line  TM   Transverse Magnetic                

(16)

                                       

(17)

    1   

1 I

NTRODUCTION AND 

O

UTLINE

 

1.1 Overview 

High‐Impedance  Surfaces  (HIS)  are  thin  resonant  cavities  synthesized  by  printing  a  periodic  Frequency  Selective  Surface  (FSS)  on  the  top  of  a  grounded  dielectric  slab.  HIS structures have been presented in literature for the first  time in 1999 [1]. Since  the publication of this seminal paper, the interest in the high‐impedance surfaces has  increased  tremendously  in  the  electromagnetic  community  and  a  large  number  of  papers  has  been  devoted  to  the  analysis  and  modeling  of  such  novel  structures  [2]‐ [16].  The  use  these  surfaces  is  relevant  in  microwave  area  mainly  in  the  design  of  ultra‐thin  electromagnetic  absorbers  [64]‐[90],  low‐profile  antennas  [91]‐[101],  Fabry‐Perot  or  Leaky  wave  antennas  [102]‐[118],  to  mitigate  the  Simultaneous  Switching Noise (SSN) in PCB circuit [130], [131] and many other applications [132].  High impedance surfaces are sometimes included in the field of metamaterials [18] for  their exotic properties and in particular they are referred to as metasurfaces [19]. The  main characteristic of a high‐impedance surface is to have a reflection coefficient of  +1,  when  illuminated  with  a  plane  wave,  instead  of  the  typical  ‐1  of  a  conventional  Perfectly  Electric  Conducting  (PEC)  surface.  Moreover,  these  periodic  structures  are  able to block the propagation of surfaces waves through the introduction of a metallic  connections (vias) between the FSS and the ground plane; in this configuration they 

(18)

2      Chapter 1 – Introduction and Outline  are  called  Electromagnetic  Bandgap  Surfaces  (EBG).  A  3D  sketch  of  the  HIS  with  an  without  the  presence  of  vias  is  shown  in  Fig.  1.1  together  with  its  typical  reflection  phase coefficient at normal incidence.    -180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180 Frequency Ref le c ti o n c o ef fi c ien t p h ase [ d e g ] HIS band (a) (b) Fig. 1.1 – 3D sketch of a high‐impedance surface (a). Phase of the reflection coefficient in correspondence  with the resonance.   Being a high‐impedance surface composed by a frequency selective surface placed at a  proper distance from an PEC ground plane, its properties are highly dependent on the  properties of the FSS. The first part of the thesis is therefore dedicated to the analysis  and the modeling of such structures.   

1.2 Frequency Selective Surfaces 

Frequency  selective  surfaces  are  printed  bidimensional  periodic  structures  able  to  filter  electromagnetic  signals  with  different  characteristic  depending  on  geometry,  repetition period of unit cells and on the characteristic of surrounding dielectric layers  [20]. Frequency selective surfaces are commonly separated in capacitive or inductive  geometries if they are realized by repeating a metallic unit cell or if they are composed  by periodic holes in a metal plate respectively. An inductive FSS operates like a pass‐ band filter, whereas a capacitive FSS behaves similarly to a stop‐band filter.  

Frequency  selective  surfaces,  differently  from  high  impedance  surfaces,  have  a  long  history and their properties have been largely investigated by  researchers [21]‐[49].  For this reason, particular attention is dedicated to a review of the material currently  available  on  this  topic.  Subsequently  an  equivalent  circuit  method  for  modeling  the  response of such periodic filter is proposed [50], [51].  

(19)

1.2  Frequency Selective Surfaces       3   

 

Fig.  1.2  ‐  Layout  of  capacitive  and  inductive  frequency  selective  surfaces  and  their  equivalent  circuit 

representation. 

1.2.1 FSS model 

A  circuit  approach  for  the  analysis  of  frequency  selective  surfaces  is  proposed.  The  analysis is based on the hypothesis that the response of a single resonant FSS element  can be represented by a simple series or parallel LC circuit if the FSS is respectively  capacitive or inductive. After a single full‐wave simulation, it is possible to obtain the  impedance of the freestanding FSS and then calculating the values  of the equivalent  capacitances and inductances. In absence of losses the FSS impedance results purely  imaginary while in presence of losses a series resistance is added in the circuit. The  design parameters such as repetition period of the unit cell, angle of incidence of the  impinging wave, properties of the supporting dielectric layers influence the values of  the computed FSS inductances and capacitances and, for this reason, the model here  presented  introduces  simple  relations  that  matches  the  mentioned  variations.  Differently from other approaches, the circuit model here proposed is valid for every  kind of FSS element and in presence of thin supporting dielectrics. 

 

1.3 High­Impedance Surfaces 

The  circuit  analysis  of  the  FSS,  providing  good  physical  insights  into  the  design  properties of the electromagnetic structure, results of vital importance in the analysis  of high‐impedance surfaces.  By means of the equivalent transmission line approach,  the  general  theory  of  high‐impedance  surfaces  and  their  properties  in  presence  of  surface waves are presented in the third chapter [1]‐[16]. As is well known, a high‐

(20)

4      Chapter 1 – Introduction and Outline  impedance surface can be interpreted as a reactive surface whose input impedance is  equal to the parallel connection of the capacitive impedance given by the frequency  selective  surface  and  the  inductive  impedance  of  a  grounded  dielectric  slab.  This  parallel  connection  generates  a  distributed  resonant  circuit  that  creates,  at  the  resonance, a high inductive input impedance in a reduced thickness. For an impinging  plane  wave,  this  surface  mimics  the  Perfect  Magnetic  boundary  condition  (PMC)  within a small frequency range and, for this reason, it is often referred to as Artificial  Magnetic  Conductors  (AMC).  It  is  therefore  evident  that  the  bandwidth  of  this  metasurface is one of the key feature of the structure. Even if these surfaces have been  employed for almost ten years, it is sometimes unclear how to choose the shape of the  frequency  selective  surface  on  the  top  of  the  grounded  slab  in  order  to  achieve  the  largest possible bandwidth.  

1.3.1 Analysis of HIS Bandwidth  

The issue of the bandwidth of high‐impedance surfaces is treated in the third chapter  through  a  transmission  line  analysis  [17]  based  on  the  circuit  representation  of  the  FSS  previously  described.  It  is  shown  that  the  conventional  approach  that  approximates  the  high‐impedance  surface  as  a  parallel  connection  between  the  inductance given by the grounded dielectric substrate and the capacitance of the FSS  may induce inaccurate results in the determination of the operating bandwidth of the  structure.  Indeed,  in order to  derive  a  more  complete model  and  to  provide  a  more  accurate  estimate  of  the  operating  bandwidth,  it  is  also  necessary  to  consider  the  series inductance of the FSS. The explicit expression for defining the bandwidth of a  high‐impedance  surface  is  obtained  and  it  is  shown  that  the  reduction  of  the  FSS  inductance  results  the  best  choice  for  achieving  wide  operating  bandwidth  in  correspondence of a given frequency. 

 

1.4 Applications: Electromagnetic Absorbers 

As mentioned above, the peculiar properties characterizing a high‐impedance surface,  allow to employ the surface in different application in microwave area. Based on the  theoretical  analysis  introduced  in  the  two  initial  chapters,  the  thesis  analyzes  the 

(21)

1.4  Applications: Electromagnetic Absorbers      5    application  of  HIS  in  the  design  of  electromagnetic  absorbers  [52]‐[90].  In  the  last  years, high‐impedance surfaces have been employed to improve the performances of  the  classical  electromagnetic  absorbing  structures  [70]‐[90].  Thin  narrow  band  absorbers  employing  metallic  FSS  loaded  with  a  large  number  of  lumped  resistors  have been repeatedly proposed [75]‐[80]. Loaded HIS surfaces can be also employed  to  synthesize  thin  and  wideband  absorbers  [81]‐[86].  Here,  resistive  frequency  selective  surfaces  are  employed  to  synthesize  the  absorber  [87],  [88].  A  theoretic  discussion  about  the  absorbing  principle  is  presented  through  a  circuit  model.  Moreover  a  methodology  to  enhance  the  absorption  properties  of  the  thin  narrow‐ band absorbers at oblique incidence is then presented and discussed [89], [90]. Finally  high‐impedance surfaces are used to replace the perfect electric backing plane of the  classical Salisbury screen absorber [72], [73].  

1.4.1 Thin absorbers based on resistively loaded HIS 

The  absorber  comprises  a  resistively  loaded  high‐impedance  surface  [87].  Losses  in  the  structure  are  introduced  by  printing  the  periodic  pattern  through  resistive  inks  and hence avoiding the typical soldering of a large number of lumped resistors. The  novel absorber can be employed for synthesizing both thin narrowband and wideband  absorbers  that  strongly  outperform  the  conventional  Salisbury  and  Jaumann  configurations.  The  use  of  resistive  patterns  provides  a  dramatically  simpler,  more  lightweight  and  cheaper  structure  with  respect  to  the  classical  design.  Both  a  theoretical  discussion  and  practical  realizations  of  the  structure  are  reported.  The  effect  of  the  surface  resistance  of  the  FSS  and dielectric  substrate  characteristics  on  the  input  impedance  of  the  absorber  is  discussed  by  means  of  a  circuit  model.  It  is  shown  that  the  optimum  value  of  surface  resistance  is  affected  both  by  substrate  parameters (thickness and permittivity) and by FSS element shape. By the equivalent  circuit  model,  the  working  principles  of  both  narrowband  and  wideband  absorbing  structures  are  addressed  and  the  best‐suited  FSS  element  for  achieving  the  most  wideband  absorption  is  derived.  Finally,  practical  designs  of  the  thin  absorbing  structures  and  their  experimental  validation  are  presented.  A  3D  sketch  of  the  absorbing structure is reported in Fig. 1.3. 

(22)

6      Chapter 1 – Introduction and Outline 

Fig. 1.3 ­ Layout of the absorbing structure based on resistive frequency selective surfaces. 

The theory of ultra‐thin narrow band absorbers is also treated by a transmission line  model  based  on  an  averaged  approximation  of  the  frequency  selective  surface  [89].  The analysis methodology works pretty well when the FSS is composed by an array of  patches with a repetition period sufficiently smaller than the wavelength and it allows  also  to  model  the  presence  of  metal  connection  between  the  patch  array  and  the  ground  plane.  The  array  of  wires,  generated  by  the  presence  of  periodic  vias  in  the  HIS,  can  be  modeled  through  the  quasi‐static  theory  of  wire  medium  since  the  presence of the FSS on the top of the wires avoids the spatial  dispersion in the wire  array [12]. The wire medium introduces a plasma resonance [144] in the HIS response  and it can be exploited to enhance the performance of practical devices as for instance  electromagnetic  absorbing  materials.  It  is  shown  that  the  presence  of  the  vias  influences  the  oblique  incidence  TM  absorption,  and  when  properly  designed,  it  results in a bandwidth enlargement and higher absorption performance. A layout of  the absorbing structure is shown in  Fig. 1.4.  

 

Fig. 1.4 – Layout of the oblique incident improved absorbing structure. 

1.4.2 Salisbury screen with reactive ground plane 

A  further  interesting  application  of  high‐impedance  surfaces  as  backing  plane  in  conventional  Salisbury‐type  electromagnetic  absorbers  is  described  [72],  [73].  The 

(23)

1.4  Applications: Electromagnetic Absorbers      7    novel  design  comprises  a  single  resistive  sheet  mounted  at  a  fixed  distance  from  a  reactive  HIS  structure.  The  high‐impedance  surface  acts  as  an  artificial  magnetic  conductor  at  lower  frequencies,  while  responding  as  a  perfect  electric  conductor  at  higher  frequencies.  The  presence  of  the  new  ground  plane  allows  to  recover  the  Salisbury functions in the upper band, while operating as a λ/10 absorber in the low  frequency regime. When the high‐impedance surface acts as a PEC plane, the Salisbury  screen  works  in  the  conventional  way.  Conversely,  when  the  composite  layer  (composed  by  the  first  grounded  dielectric  layer,  the  FSS  and  the  second  dielectric)  behaves  as  a  high‐impedance  surface  the  resistive  sheet  is  again  mounted  over  a  magnetic  wall  and  it  causes  an  additional  resonant  absorption  peak.  A  layout  of the  absorbing structure is shown in Fig. 1.5. 

 

Fig. 1.5 – Layout of the absorbing structure based on reactive ground plane.

1.5 Applications: Antennas 

The  two  final  chapters  of  the  thesis  are  focalized  on  the  use  of  high‐impedance  surfaces  in  the  design  of  two  different  types  of  antenna.  The  former  design  is  composed by an horizontal small dipole antenna placed in close  proximity of a high‐ impedance  surface  [1].  In  this  design,  the  use  of  high‐impedance  surfaces  allows  to  overcome  the  fundamental  limitation  concerning  the  distance  between  the  antenna  and  the  ground  plane  imposed  by  horizontal  wire  antennas  over  an  electric  ground  plane. The optimal distance for the antenna on the PEC is in fact a quarter wavelength,  high  radiation  resistance  being  the  figure  of  merit.  If  the  separation  is  reduced,  the  image  currents  on  the  ground  plane  eventually  cancel  out  all  radiation  from  the  antenna. A sketch of the dipole antenna on the top of the high‐impedance surface is  reported  in  Fig.  1.6.  The  thesis  investigates  both  theoretically  and  from  a  practical 

(24)

8      Chapter 1 – Introduction and Outline  point  of  view  the  properties  of  such  antennas.  Despite  the  large  amount  of  work  published  on  this  topic  [91]‐[101],  the  theory  of  such  device  is  still  unclear.  Simple  image  principles,  based  on  a  schematization  of  the  HIS  as  a  perfect  magnetic  conductor,  are  often  used  both  to  explain  and  model  the  structure.    The  reflection  phase of infinite high‐impedance surface at normal incidence is also often employed in  modelization  tools  that  neglects  both  the  strong  angular  dependence  of  HIS  input  impedance and the finite size of a real structure. 

 

Fig. 1.6 – Layout of the analyzed antenna. 

In the latter case, high‐impedance surfaces are employed in the design of the so‐called  Fabry‐Perot  or  Leaky  wave  antennas  [104]‐[118].  Fabry‐Perot  antennas  have  been  presented in literature by Trentini in 1956 but their performance have been improved  in  the  last  five  years  with  the  use  of  high‐impedance  surfaces  [104].  A  Fabry‐Perot  antenna  is  usually  realized  by  placing  a  highly  reflective  dielectric  or  a  frequency  selective surface at a proper distance from a ground plane [105]. The cavity, excited  by a low gain antenna, transforms an omnidirectional field distribution into a highly  directive one. In the case of a metallic ground plane, the cavity height equals λ/2.  Fig. 1.7 – Layout of the high directive sub‐wavelength Fabry‐Perot antenna.  However, it has been demonstrated that when the metallic plate is replaced by a high‐ impedance surface, the reflection phase of this ground plane can be properly chosen 

(25)

1.5  Applications: Antennas       9    leading to a sub‐wavelength design [122]‐[125]. A sketch of the Fabry‐Perot antenna  with the HIS structure in place of an electric ground plane is reported in Fig. 1.7. 

1.5.1 Low­profile antennas  

It is shown in the thesis that a finite antenna system is characterized by two radiating  mechanisms: the first one is the classical resonance of the HIS‐based antenna system,  and the second one is due to the propagation of TE surface waves in a finite structure  [102].  The  propagation  of  TE  surface  waves  cause  additional  resonances  on  the  s11  profile dependent on the size of the HIS structure. Depending on the size of the HIS,  these  resonances  can  be  exploited  to  widen  the  operating  band  of  the  antenna.  The  dimension of the backing plane is of crucial importance on the radiation properties of  the antenna and it is demonstrated which is the actual relation between the radiation  pattern of the antenna and the size of the high‐impedance surface. The shape of the  radiation patterns of the antenna is analyzed both before the HIS resonance and in the  range  where  TE  surface  wave  are  propagating.  Before  the  HIS  resonance,  the  only  propagating surface wave results a TM wave and it is demonstrated that the shape of  the radiation patterns is univocally determined by the size of the structure [103]. The  introduction of the frequency selective surface leads to a HIS  resonance in the input  impedance  resulting  in  the  antenna  matching  and  in  the  onset  of  TE  surface  waves  after  the  mentioned resonance.  It  is  shown that  the  shape  of  the  radiation patterns,  independently  of  the  FSS  unit  element  shape,  remains  rotationally  symmetric  and  wide‐beam up to the first TE surface wave resonance and it deteriorates after that.   The presence of vias in the HIS is also analyzed. It is commonly accepted that the use  of  EBG  materials  prevents  the  diffraction  of  surface  waves  at  the  edges  of  the  finite  structure reducing the grazing radiation, the back radiation (or the front to back ratio)  and the coupling with other antennas. Here it is shown that the presence of vias in the  high‐impedance surface, that allows to block the propagation of surface waves, does  not  improve  the  goodness  of  the radiation  pattern  and deteriorates  the  matching  of  the radiating element. The theoretical analysis of the low‐profile antenna is supported  by experimental validations on ad‐hoc prototypes.  

The  modeling  of  the  low‐profile  antenna  is  finally  addressed.  A  benchmark  antenna  structure is analyzed by a full‐wave code and the results are compared with numerical 

(26)

10      Chapter 1 – Introduction and Outline  simulations  of  the  same  antenna  in  which  the  actual  finite‐size  high‐impedance  surface  is  replaced  by  an  impedance  boundary  of  the  same  size.  The  surface  impedance of the boundary is either defined assuming plane‐wave normal incidence  or considering a partially homogenized structure composed by a grounded dielectric  slab and a homogenized layer representing the frequency selective surface on top of  the slab. It is demonstrated that, even if the accuracy of the  model can be gradually  improved, the use of homogenized approach to analyze an horizontal dipole on a high‐ impedance surface does not guarantee acceptable accuracy.   A further improvement of a high‐impedance surface consists in apply varicap diodes  in every unit cell of the FSS for tuning its high‐impedance condition. This technique is  here used to design a prototype of a tunable antenna [95].  

1.5.2  Active Fabry­Perot Antennas 

The employment of an active HIS in place of a static one allows the aforementioned  Fabry‐Perot antenna to operate in correspondence of different frequencies. According  to the leaky wave principles, a beam steering can be also obtained in correspondence  of every working frequency by dynamically varying the phase response of the ground  plane (it determines a fictitious variation of the cavity height). A layout of the analyzed  structure is shown in Fig. 1.7. The structure is thoroughly analyzed by transmission  line  model  (TL)  which  combines  an  exhaustive  analytical  averaged  model  of  high‐ impedance surfaces with a known formulation aimed to analyze radiation patterns of  infinite structures. The analysis allows to consider the angular dependence of the HIS  response and the presence of active elements.  

Figura

Fig.  1.2  ‐  Layout  of  capacitive  and  inductive  frequency  selective  surfaces  and  their  equivalent  circuit 
Fig. 1.3 ­ Layout of the absorbing structure based on resistive frequency selective surfaces. 
Fig. 1.5 – Layout of the absorbing structure based on reactive ground plane.
Fig. 1.6 – Layout of the analyzed antenna. 

Riferimenti

Documenti correlati

Ad esempio, il contratto di riassicurazione stop loss, secondo il quale al verificarsi dei sinistri di un ramo o di una parte di esso oltre un certo importo determina

Si è rilevato altresì che si deve scorgere un rapporto di discendenza diretta fra i visconti attestati agli inizi del secolo XII a Goito con il gruppo parentale che via via

Figure 3: The generalised Hough method applied to a buried pipe of finite diameter in a medium of unknown velocity.. Measurements from up to 4 probe positions are taken, taking

La crisi che aveva colpito il sistema economico mondiale negli anni Settanta ebbe conseguenze durissime nel Sud del mondo. I paesi dell’area latinoamericana furono

A DVANCED O PERATIONAL F UNCIONALITIES The above illustrated Microgrid has been used to validate three different advanced functionalities, implemented in the Smartgen DMS:

By studying the biosensor response to small particles, like proteins, viruses or DNA, we then confirm by simulation the advantages of high frequency impedance spectroscopy,

[r]