Advances in composite right/left-handed transmission line components, antennas and systems

Les Métamatériaux (MTMs) électromagnétiques sont des matériaux artificiels qui présentent des propriétés remarquables non disponibles dans les substances naturelles. De récents travaux de recherche et de développement ont permis de démontrer des applications optiques et micro-ondes des MTMs, telles que des lentilles à super-résolution, des dispositifs d'invisibilité, de nouveaux filtres passe-bande, des coupleurs améliorés, des résonateurs et des antennes à ondes de fuite avec de nouvelles propriétés et performances. Avec la capacité à manipuler les ondes électromagnétiques se propageant par l'intermédiaire de leur support, les MTMs électromagnétiques pourraient devenir une clé importante des dispositifs et systèmes optiques, et micro-ondes de l'avenir.Cette thèse présente les dernières avancées des MTMs micro-ondes basés sur le concept des Lignes de Transmission Composites à Main Gauche/Droite (Composite Right/Left-Handed Transmission Line - CRLH TL). Les CRLH TLs sont des structures non-résonantes, constituées de la répétition périodique de série de condensateurs et d'inductances shunt très petits par rapport à la longueur d'onde guidée, qui ont une large bande et de faibles pertes pour les applications micro-ondes. De plus, les CRLH TLs planaires permettent une fabrication à faibles coûts en utilisant la technologie des circuits imprimés et un niveau élevé d'intégration avec les autres composants et systèmes. Ce travail constitue une contribution au développement de nouveaux composants, antennes et systèmes CRLH TL dans trois des classes d'applications spécifiques: onde guidée en régime harmonique, onde guidée en régime d'impulsionnel et onde rayonnée. Dans la première classe, un filtre passe-bande à large bande, un diviseur de puissance en série et des coupleurs à lignes couplées sont élaborés et vérifiés expérimentalement. La deuxième classe comprend un différentiateur et un émetteur à modulation par position d'impulsion. Dans la troisième classe, deux nouveaux concepts de recyclage de puissance améliorant systématiquement l'efficacité de rayonnement des antennes à ondes de fuite (Leaky-Wave Antenna - LWA) sont présentés, numériquement vérifiés par simulation électomagnétique et démontrés expérimentalement. Application de l'onde guidée en régime harmonique Le condensateur interdigital, généralement utilisé dans CRLH TLs, souffre d'une résonance transversale aux fréquences élevées à cause des courants en boucle formés entre ses doigts entrelacés. Cette résonance limite la bande passante des CRLH TLs. Pour cette raison, une nouvelle architecture de la CRLH TL basée sur le concept Métal-Isolant-Métal (MIM) a été proposée, caractérisée, démontrant sa capacité à supprimer complètement cette résonance transversale. La topologie MIM a les avantages d'être symétrique et de petite taille, tout en permettant d'exploiter pleinement la bande passante de la structure.

Abstract

Electromagnetic metamaterials (MTMs) are engineered artificial materials that exhibit unusual properties not available in natural materials. Recent research and development have shown promising optical and microwave applications of MTMs such as super-resolution lenses, cloaking devices, bandpass filter, enhanced couplers, resonators, and leaky-wave antennas with new properties and performance, to name a few. With the ability to manipulate electromagnetic waves propagating through its medium, electromagnetic MTMs are believed to hold an important key to many future optical and microwave devices and systems. This dissertation presents the most recent advances in microwave MTMs based on the Composite Right/Left-Handed (CRLH) transmission line (TL) concept. The CRLH TL based MTMs are non-resonant structures which are constituted of periodic repetition of series capacitors and shunt inductors with a unit cell's size much smaller than the guided wavelength and have favorable broadband and low-loss properties for microwave applications. In addition, planar CRLH TL-based MTMs permit a low-cost fabrication using printed circuit board (PCB) technology and a high level of integration with other microwave components and systems. This work contributes to the development of novel CRLH TL components, antennas and systems in three specific classes of application: harmonic regime guided-wave, impulse regime guided-wave and radiated-wave. In the first class, a wideband bandpass filter, an infinite wavelength series power divider and enhanced coupled-line coupler are developed and verified experimentally. The second class consists of a time differentiator component and a pulse position modulation transmitter system. In the third class, two novel power-recycling concepts to systematically enhance the radiation efficiency of Leaky-Wave Antennas (LWAs) are presented, verified numerically using electromagnetic simulation and demonstrated experimentally. Harmonic regime guided-wave application The interdigital capacitor, generally utilized in CRLH TLs, suffers a transverse resonance at high frequencies due to loop currents forming between adjacent interdigitated fingers. This resonance limits the operating bandwidth of CRLH TL based MTMs. For this reason, an alternative CRLH TL architecture based on Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitors was proposed, characterized, and demonstrated to completely suppress the transverse resonance. The MIM based CRLH TL topology has advantages of symmetric design and small size while allows full operating bandwidth. Based on the new architecture, a bandpass filter with tapered coupled resonators was designed and the achieved ultra-wide bandwidth confirms its operation. In addition, an infinite wavelength series power divider using the same MIM based CRLH TL architecture in a stripline configuration was proposed and fabricated.