Electromagnetic waves in artificial media with application to lens antennas

Abstract

In recent years there has been an increasing interest in the propagation of electromagnetic waves in artificial materials. Artificial materials consist of a mixture of metallic or dielectric particles in a host medium. It has been shown that artificial materials may significantly improve the performance of antennas, microwave filters and other devices. The characterization and study of these “engineered” materials is thus of increasing relevance. This thesis comprises a systematic study of electromagnetic waves in artificial materials, and its application to dielectric lens antennas. We examine the homogenization problem in periodic materials. A new method is proposed to compute the effective parameters of artificial crystals at the long wavelength limit. The band structure problem in metallic-dielectric crystals is studied. We propose a new hybrid formalism to compute the band structure of periodic media. The radiation from point sources in metallic crystals is examined. The asymptotic form of the radiated fields in the far field region is derived. The artificial dielectric concept is put into practice to design artificial material lenses. Several lens configurations with inhomogeneous anisotropic substrate are studied. A new formalism is presented to compute the lens permittivity profile that ensures that the output beam matches a specified target.

Nos últimos anos houve um interesse crescente na propagação de ondas electromagnéticas em meios artificiais. Estes meios consistem numa mistura de partículas metálicas ou dieléctricas embebidas num meio ambiente homogéneo. Este tipo de estruturas pode ter propriedades notáveis que geralmente não são observáveis na natureza. Vários resultados mostram que os materiais artificiais podem melhorar significativamente o desempenho de antenas, filtros para microondas, e outros dispositivos. O estudo e caracterização deste tipo de materiais é pois de crescente importância. Nesta tese realiza-se um estudo sistemático sobre meios artificiais e investiga-se a sua aplicação em antenas baseadas em lentes. Primeiro estuda-se o problema de homogeneização em materiais periódicos. É proposto um método para calcular os parâmetros efectivos de cristais artificiais no limite de grandes comprimentos de onda. Em seguida, estuda-se a estrutura de bandas de cristais dieléctricos ou metálicos. Propõese um método híbrido para o cálculo numérico da estrutura de bandas. A radiação de fontes pontuais elementares é examinada. É deduzida a forma assimptótica dos campos radiados na zona distante. O conceito de dieléctrico artificial é posto em prática para projectar lentes cujo substrato é um material artificial. São examinadas várias configurações de lentes com substrato não uniforme e anisotrópico.