Directive metamaterial-based subwavelength resonant cavity antennas – Applications for beam steering

Abdelwaheb Ourir; Shah Nawaz Burokur; Riad Yahiaoui; André de Lustrac

doi:10.1016/j.crhy.2009.01.004

Directive metamaterial-based subwavelength resonant cavity antennas – Applications for beam steering
[Antennes directives à cavité résonante sub-longueur d'onde à métamatériaux – applications au dépointage]

Abdelwaheb Ourir ¹ ; Shah Nawaz Burokur ¹ ; Riad Yahiaoui ¹ ; André de Lustrac ¹

¹ Institut d'électronique fondamentale, Université Paris Sud, UMR 8622 – CNRS, 91405 Orsay cedex, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 10 (2009) no. 5, pp. 414-422.

Résumé
Abstract

Cet article présente l'utilisation de métamatériaux composites résonants pour la conception d'antennes à cavités sub-longueurs d'onde hautement directives. Ces métamatériaux composés de motifs métalliques planaires disposés périodiquement sur des substrats diélectriques montrent des caractéristiques de phase dispersives en fréquence. Plusieurs types de surfaces à base de métamatériaux (métasurfaces), présentant une réflexion en phase avec l'onde incidente sont étudiés afin de calculer leurs largeurs de bande et leurs fréquences de travail. Ces surfaces sont ensuite appliquées à des cavités de type Fabry–Perot et une analyse basée sur un modèle de lancer de rayons est utilisée pour réaliser des antennes ultra-compactes et hautement directives. Une métasurface avec une phase à la réflexion variable obtenue avec des métamatériaux apériodiques est conçue pour des applications de dépointage passif de faisceau d'antennes. En dernier lieu, l'implantation de composants électroniques dans une métasurface contrôlable, permettant un contrôle électronique de la phase à la réflexion, est utilisée pour la conception de cavités reconfigurables en fréquence et de cavités à balayage de faisceau. Toutes ces antennes à cavités opèrent sur des modes sub-longueurs d'ondes avec des épaisseurs aussi faibles que $λ / 60$ .

This article presents the use of composite resonant metamaterials for the design of highly directive subwavelength cavity antennas. These metamaterials, composed of planar metallic patterns periodically organized on dielectric substrates, exhibit frequency dispersive phase characteristics. Different models of metamaterial-based surfaces (metasurfaces), introducing a zero degree reflection phase shift to incident waves, are firstly studied where the bandwidth and operation frequency are predicted. These surfaces are then applied in a resonant Fabry–Perot type cavity and a ray optics analysis is used to design different models of ultra-compact high-gain microstrip printed antennas. Another surface presenting a variable reflection phase by the use of a non-periodic metamaterial-based metallic strips array is designed for a passive low-profile steering beam antenna application. Finally, the incorporation of active electronic components on the metasurfaces, allowing an electronic control of the phase responses, is applied to an operation frequency reconfigurable cavity and a beam steering cavity. All these cavity antennas operate on subwavelength modes, the smallest cavity thickness being of the order of $λ / 60$ .

Publié le : 2009-06-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2009.01.004

Keywords: Metamaterials, High directivity, Subwavelength, Fabry–Perot cavity antennas, Variable phase, Frequency reconfigurable, Beam steering
Mot clés : Métamatériaux, Haute directivité, Sub-longueur d'onde, Cavité Fabry–Perot, Phase variable, Reconfigurabilité en fréquence, Balayage du faisceau

Affiliations des auteurs :

Abdelwaheb Ourir ¹ ; Shah Nawaz Burokur ¹ ; Riad Yahiaoui ¹ ; André de Lustrac ¹

¹ Institut d'électronique fondamentale, Université Paris Sud, UMR 8622 – CNRS, 91405 Orsay cedex, France

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Abdelwaheb Ourir; Shah Nawaz Burokur; Riad Yahiaoui; André de Lustrac. Directive metamaterial-based subwavelength resonant cavity antennas – Applications for beam steering. Comptes Rendus. Physique, Volume 10 (2009) no. 5, pp. 414-422. doi : 10.1016/j.crhy.2009.01.004. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2009.01.004/

Bibliographie
Cité par

[1] D. Sievenpiper; L. Zhang; R.F.J. Broas; N.G. Alexópoulos; E. Yablonovitch High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Volume 47 (1999) no. 11, pp. 2059-2074

[2] R.F.J. Broas; D. Sievenpiper; E. Yablonovitch A high-impedance ground plane applied to a cellphone handset geometry, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Volume 49 (2001) no. 7, pp. 1262-1265

[3] L. Zhou; H. Li; Y. Qin; Z. Wei; C.T. Chan Directive emissions from subwavelength metamaterial-based cavities, Appl. Phys. Lett., Volume 86 (2005), p. 101101

[4] D.M. Pozar; S.D. Targonski; H.D. Syrigos Design of millimeter wave microstrip reflectarrays, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Volume 45 (1997) no. 2, pp. 287-296

[5] F.-R. Yang; K.-P. Ma; Y. Qian; T. Itoh Aperture-coupled patch antennas on uc-pbg substrate, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Volume 47 (1999) no. 11, pp. 2123-2130

[6] F.-R. Yang, Y. Qian, T. Itoh, Antenna and circuit applications of uc-pbg structures, in: Proc. Int. Symp. Dig. on Antennas and Propagation, ISAP, 2000, pp. 775–778

[7] A.P. Feresidis; G. Goussetis; S. Wang; J.C. Vardaxoglou Artificial magnetic conductor surfaces and their application to low-profile high-gain planar antennas, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Volume 53 (2005) no. 1, pp. 209-215

[8] A. Ourir; A. de Lustrac; J.-M. Lourtioz All-metamaterial-based sub-wavelength cavities $(λ / 60)$ for ultrathin directive antennas, Appl. Phys. Lett., Volume 88 (2006), p. 084103

[9] D.F. Sievenpiper; J.H. Schaffner; H.J. Song; R.Y. Loo; G. Tangonan Two-dimensional beam steering using an electrically tunable impedance surface, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Volume 51 (2003) no. 10, pp. 2713-2722

[10] D. F Sievenpiper Forward and backward leaky wave radiation with large effective aperture from an electronically tunable textured surface, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Volume 53 (2005) no. 1, pp. 236-247

[11] H. Chen; B.-I. Wu; L. Ran; T.M. Grzegorczyk; J.A. Kong Controllable left-handed metamaterial and its application to a steerable antenna, Appl. Phys. Lett., Volume 89 (2006), p. 053509

[12] A. Ourir; A. de Lustrac; J.-M. Lourtioz Optimization of metamaterial based subwavelength cavities for ultracompact directive antennas, Microwave Opt. Technol. Lett., Volume 48 (2006) no. 12, pp. 2573-2577

[13] A. Ourir; S.N. Burokur; A. de Lustrac Phase-varying metamaterial for compact steerable directive antennas, Electron. Lett., Volume 43 (2007) no. 9, pp. 493-494

[14] Microstripes Micro-Stripes Reference Manual Release 7.0, FLOMERICS Ltd., 2005

[15] G.V. Trentini Partially reflecting sheet arrays, IRE Trans. Antennas and Propagation, Volume 4 (1956), pp. 666-671

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