NOUVELLES ANTENNES MILLIMÉTRIQUES À LENTILLE UTILISANT DES STRUCTURES PÉRIODIQUES POREUSES EN PLASTIQUE

Autor: javad pourahmadazar
Přispěvatelé: Pourahmadazar, Javad
Předmět:
Zdroj: HAL
Popis: Gradient refractive index (GRIN) structure is an optical result generated by a progressive variationof the refractive index of a host medium to improve the design of new microwave devices 1. So thesehost medium modifications can be used to produce lenses for all electromagnetic spectrums withflat surfaces, or 3D volumes that do not have the aberrations of traditional spherical lenses or mayhave a refraction gradient with a spherical, axial or radial variations [1, 2]. This refraction gradientcan be realized in a homogeneous or inhomogeneous medium using subtractive or additive methodsas a material porosity control technique. Porosity, or void fraction, is a technological method topermittivity control a measure of the void as a subtractive method by reducing the host mediumor using a ratio of the material filling as an additive method, which can have a percentage between0% and 100%, to realize the final platform [3].Porous structures embedded in the homogeneous framework are of scientific and GRIN lensdesign interests because of their ability to achieve intended virtual permittivity throughout thebulk of the material. Not surprisingly, traditional virtual permittivity control with porous materialsinvolving dielectrics by reducing a density (filling ratio) of spherical or cylindrical holes was alreadydemonstrated in the 1950s along with all the techniques with the high freedom design order thatcould be produced with an additive manufacturing process [4]. Unfortunately, these results have notbeen given much attention today despite the very interesting and accurate analysis. In the 1950s,the first analysis to control virtual permittivity using an array of spherical and cylindrical cells inTeflon and polystyrene was investigated and proven with mathematical expressions [5, 4]. Basedon cylindrical pore analyses, for high length-to-diameter ratio, the control of permittivity is relateddirectly to the orientation of electric fields and cylindrical pore axes. By using these porositymethods, the permittivity control in the ranges between 1.1 up to host medium permittivity isobtainable. To expand this range, porous cells liquid materials such as acetonitrile/benzene mixturecan be used to fill and increase relative permittivity of host medium up to = 37.In this thesis, we have introduced novel and optimized concepts in the frame of mmWave communications, namely nonmagnetic (n =√µ, µ = 1) gradient refractive index (∆n) lens antennas.The two ideas are intended for improving current manufacturing technologies for GRIN devices inthe mmWave spectrum: the Lüneburg lens and Fresnel zone plates (FZPs) in the homogeneousframework. On the one hand, material porosity can be useful to simplify virtual permittivity design, not only in the implementation and measurement steps but also to potentially enable new andbroadband properties cells with simplified schemes for impairment compensation in the mmWave,and sub-mmWave spectrums. On the other hand, permittivity control techniques based on material porosity can also facilitate the development of new GRIN device design techniques for lensapplications. In fact, the introduction of material theory based on material porosity processing isconsidered to be one of the most encouraging methods to control the intrinsic permittivity of thematerial.As a collective conclusion, regarding the extensive range of applications of permittivity controlwith porous structures, we can foresee the vast amount of exciting uses for the graded mediumdesign in planar or 3D objects. Due to the extensive collection of utilization, this proposed conceptuses 3D printing devices that can be employed (some of them have been experimentally confirmedin this thesis), and the presented project may motivate the development of an innovative form oflens devices, more efficient lens devices as an antenna in the areas of mmWave communication.Advantages of these virtual permittivity design using full dielectric or full metal homogeneousapproaches include (i) a notable simplification of the currently required graded setups based onmaterial change approach to achieve the equivalent variety of functionalities; (ii) the possibility ofrealizing all-optical GRIN devices for lens antenna design applications, with development from mmto nm printing ranges to be achieved, so far, through additive manufacturing technology widely usednowadays; and (iii) the significant rest of previous GRIN medium design practical difficulties in thelens devices manufacturing processes is solved. All the suggested schemes appear as stable anddependable solutions for efficiently GRIN lens designs of practical applications, and they may alsobe entirely placed in the industry for short-term fabrication. Overall, we expect that the contributedinvestigation outcome of our porous design approach for the lens antenna design will have a markedlyrelevant scientific and economic effect in such diverse areas as mmWave communication and wavefocus applications.
La structure de l’indice de réfraction de gradient (GRIN) est un résultat optique généré par unevariation progressive de l’indice de réfraction d’un milieu hôte pour améliorer la conception denouveaux dispositifs à micro-ondes 1. Ainsi, ces modifications du milieu hôte peuvent être utiliséespour produire des lentilles pour tous les spectres électromagnétiques à surfaces planes, ou volumes3D ne présentant pas les aberrations des lentilles sphériques traditionnelles ou présentant un gradientde réfraction avec des variations sphériques, axiales ou radiales [1, 2]. Ce gradient de réfractionpeut être réalisé dans un milieu homogène ou inhomogène en utilisant des méthodes soustractivesou additives comme technique de contrôle de la porosité du matériau. La porosité, ou fraction devide, est une méthode technologique de contrôle de la permittivité permettant de mesurer le videcomme méthode soustractive en réduisant le milieu hôte ou en utilisant un ratio du remplissage dematériau comme méthode additive, qui peut avoir un pourcentage entre 0 % et 100 %, pour réaliserla plate-forme finale [3].Les structures poreuses intégrées dans le cadre homogène ont des intérêts scientifiques et trouvent leur utilité dans la conception de lentilles GRIN en raison de leur capacité à atteindre lapermittivité virtuelle voulue dans la masse du matériau. Sans surprise, le contrôle de la permittivité virtuelle traditionnelle avec des matériaux poreux impliquant des diélectriques en réduisant ladensité (taux de remplissage) des trous sphériques ou cylindriques était déjà prouvée dans les années1950 de même que toutes les techniques avec l’ordre de conception de haute liberté qui pourraitêtre produit avec un processus de fabrication additif [4]. Malheureusement, ces résultats n’ont pasreçu beaucoup d’attention aujourd’hui malgré l’analyse très intéressante et précise. Dans les années1950, la première analyse visant à contrôler la permittivité virtuelle, en utilisant un tableau decellules sphériques et cylindriques dans le Téflon et le polystyrène, a été étudiée et prouvée avec desexpressions mathématiques [5, 4]. Sur la base des analyses de pores cylindriques, pour un rapportlongueur-diamètre élevé, le contrôle de la permittivité est directement lié à l’orientation des champsélectriques et des axes de pores cylindriques. En utilisant ces méthodes de porosité, le contrôle de lapermittivité dans les plages comprises entre 1,1 et la permittivité du milieu hôte peut être obtenu.Pour élargir cette gamme, des matériaux liquides à cellules poreuses tels que le mélange acétonitrile/benzène peuvent être utilisés pour remplir et augmenter la permittivité relative du milieu hôtejusqu’à = 37.Dans cette thèse, nous avons introduit des concepts innovants et optimisés dans le cadre descommunications mmWave, à savoir antennes optiques non magnétiques à gradient de réfraction. Lesdeux idées sont destinées à améliorer les technologies de fabrication actuelles pour les dispositifsGRIN dans le spectre mmWave: la lentille Lüneburg et les plaques zonales de Fresnel (FZP) dans lecadre homogène. D’une part, la porosité du matériau peut être utile pour simplifier la conception depermittivité virtuelle, non seulement dans les étapes de mise en œuvre et de mesure, mais aussi pouractiver des cellules potentielles avec de nouvelles propriétés à large bande et des schémas simplifiés decompensation de perte dans les spectres mmWave et sub-mmWave. D’un autre côté, les techniquesde contrôle de la permittivité basées sur la porosité du matériau peuvent également faciliter ledéveloppement de nouvelles techniques de conception de dispositifs GRIN pour les applications delentilles. En fait, l’introduction de la théorie des matériaux basée sur le traitement de la porosité estl’une des méthodes les plus encourageantes pour contrôler la permittivité intrinsèque du matériau.En conclusion, en ce qui concerne la vaste gamme d’applications du contrôle de la permittivité avec des structures poreuses, nous pouvons prévoir plusieurs cas d’utilisations passionnantespour le design gradué du support dans les objets planaires ou 3D. En raison de la vaste collectiond’utilisation, ce concept proposé utilise des dispositifs d’impression 3D (certains d’entre eux ont étéconfirmés expérimentalement dans cette thèse), et le projet présenté peut motiver le développementd’une forme innovante de dispositif de lentilles plus efficaces sous forme d’antenne dans les domainesde la communication mmWave. Les avantages de cette conception de la permittivité virtuelle enutilisant des approches homogènes diélectriques ou métalliques complètes comprennent: (i) unesimplification notable des configurations graduées actuellement requises et basées sur l’approche dechangement de matériau pour obtenir la variété équivalente de fonctionnalités; (ii) la possibilitéde réaliser des dispositifs GRIN tout optique pour des applications de conception d’antennes delentilles, avec développement de plages d’impression de mm à nm à atteindre, jusqu’à présent, grâceà une technologie de fabrication additive largement utilisée de nos jours; et (iii) le reste significatifdes difficultés pratiques antérieures de conception de milieu GRIN dans les procédés de fabricationdes dispositifs de lentilles est résolu. Tous les schémas proposés apparaissent comme des solutionsstables et fiables pour des conceptions de lentilles GRIN efficaces pour des applications pratiques, etils peuvent également être entièrement intégrés dans l’industrie pour une fabrication à court terme.Dans l’ensemble, nous nous attendons à ce que le résultat de notre approche de conception poreusepour la conception d’antennes à lentilles ait un effet scientifique et économique nettement pertinentdans des domaines aussi divers telque la communication mmWave et les applications de focalisationdes ondes.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: