abstract: Antennas are required now to be compact and mobile. Traditional horizontally polarized antennas are placed in a quarter wave distance from a ground plane making the antenna system quite bulky. High impedance surfaces are proposed for an antenna ground in close proximity. A new method to achieve a high impedance surface is suggested using a metamaterial comprising an infinite periodic array of conducting loops each of which is loaded with a non-Foster element. The non-Foster element cancels the loop's inductance resulting in a material with high effective permeability. Using this material as a spacer layer, it is possible to achieve a high impedance surface over a broad bandwidth. The proposed structure is different from Sievenpiper's high impedance surface because it has no need for a capacitive layer. As a result, however, it does not suppress the propagation of surface wave modes. The proposed structure is compared to another structure with frequency selective surface loaded with a non-Foster element on a simple spacer layer. In particular, the sensitivity of each structure to component tolerances is considered. The proposed structure shows a high impedance surface over broadband frequency but is much more sensitive than the frequency selective surface structure. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2010

This thesis studies a new class of high gain planar resonant cavity antennas based on metamaterial surfaces. High-gain planar antennas are becoming increasing popular due to their significant advantages (e.g. low profile, small weight and low cost). Metamaterial surfaces have emerged over the last few years as artificial structures that provide properties and functionalities not readily available from existing materials. This project addresses novel applications of innovative metamaterial surfaces on the design of high-gain planar antennas. A ray analysis is initially employed in order to describe the beamfonning action of planar resonant cavity antennas. The phase equations of resonance predict the possibility of low-profile/subwavelength resonant cavity antennas and tilted beams. The reduction of the resonant cavity profile can be obtained by virtue of novel metamaterial ground planes. Furthermore, the EBG property of metamaterial ground planes would suppress the surface waves and obtain lower backlobes. By suppressing the TEM mode in a resonant cavity, a novel aperture-type EBG Partially Reflective Surface (PRS) is utilized to get low sidelobes in both planes (E-plane and H-plane) in a relatively finite structure. The periodicity optimization of PRS to obtain a higher maximum directivity is also investigated. Also it is shown that antennas with unique tilted beams are achieved without complex feeding mechanism. Rectangular patch antennas and dipole antennas are employed as excitations of resonant cavity antennas throughout the project. Three commercial electromagnetic simulation packages (Flomerics Microstripes ™ ver6.S, Ansoft HFSSTM ver9.2 and Designer ™ ver2.0) are utilized during the rigorous numerical computation. Related measurements are presented to validate the analysis and simulations.

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: This paper presents the implementation of an artificial magnetic ground-plane with a low profile Log-periodic Dipole Array (LPDA) antennas. After the properties of three typical Electromagnetic Bandgap (EBG) structures are investigated and their bandwidth properties are studied, a mechanism is presented to improve the band-width over which the EBG surface acts as a perfect magnetic conductor (PMC). A low profile LPDA is modeled above this surface and the results indicate an improved band-width region. Compared with a LPDA in free space the frequency band is shifted higher by the EBG surface and the gain pattern is shifted from a horizontal orientation to a vertical orientation. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie dokument stel voor die implementering van kunsmatige magnetiese grondvlakke met Logaritmiese Periodiese Dipool Samestelling (LPDS) antennas. Die eienskappe van drie tipiese Elektromagnetiese Bandgaping (EBG) strukture word ondersoek en hul bandwydte eienskappe word bestudeer. ’n Meganisme word voorgestel om die bandwydte te verbeter waar die EBG oppervlakte soos n perfekte magnetiese geleier optree. ’n Lae profiel LPDS word bo hierdie oppervlakte geplaas. Die resultate dui aan ’n verbetering in the bandwydte. In vergelyking met ’n LPDS in vrye ruimte skuif die frekwensie band ho¨er as gevolg van die EBG oppervlakte en die aanwins patroon skuif van ’n horisontale orientasie na ’n vertikale orientasie.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont relatifs à la conception et au développement d’antennes basées sur les structures artificielles – métamatériaux. La première antenne conçue et réalisée est une antenne bi-fonction en bande L (~1GHz) (GPS et DME) à diversité de bande/de polarisation, destinée aux applications aéronautiques. Ces travaux rentrent dans le cadre du projet MSIE (pôle de compétitivité ASTHEC) pour lequel notre LEME a été très actif. Les partenaires industriels de ce projet sont EADS/IW, Dassault aviation, INEO-Défense, SATIMO. Les résultats montrent la faisabilité d’une antenne unique pouvant avoir simultanément deux fonctions avec une diversité de polarisation et de bande spectrale. L’utilisation des métamatériaux a permis en particulier le maintien de la polarisation circulaire de l’antenne GPS -L1 à L5. La fonction DME a été consolidée avec le maintien de son gain. La seconde antenne est une antenne cavité Fabry-Pérot mettant en œuvre une structure partiellement réfléchissante double couche. Nous avons démontré le phénomène physique d’inversion de la phase du coefficient de réflexion de la PRS. Nous avons obtenu un gradient positif de phase sur une bande de 5 GHz autour de 80GHz. Grace à ce profil nouveau de la phase obtenu par la structure métamatériau PRS, on dispose d’une avance linéaire de la phase qui compense le retard du à la cavité Fabry-Pérot. Ainsi on maintient les conditions de résonance de la cavité sur une large bande, 5GHz. Nous démontrons, que la mise en œuvre de cette structure aux caractéristiques inédites permet de réaliser une antenne cavité ultra-directive sur une très large bande spectrale de 5GHz. Les performances atteintes sont une directivité de 35 à 40dBi sur 5 GHz, une adaptation parfaite (gain ~ directivité) avec très peu de sources primaires. L’antenne est compacte avec une hauteur totale inférieure au 10mm (connecteur compris) et une surface de 100mmx100mm. / The work presented in this manuscript is related to the design and development of antennas based on artificial structures - metamaterials. The first designed and built antenna is a GPS and DME dual-function in the L (~ 1GHz). It is an antenna designed with polarization and spectral diversities for aeronautical applications. The work is within the MSIE project of ASTHEC cluster for which our laboratory (LEME) was very active. The industrial partners of the project are EADS/IW, Dassault Aviation, INEO-Defense SATIMO. The results show the feasibility of a single antenna having simultaneously two functions with a diversity of polarization and spectral band. The use of metamaterials enabled in particular the preservation of circular polarization of the GPS antenna on the bands ranging from L1 to L2. The DME function was consolidated with the same gain.The second antenna is an antenna Fabry-Perot cavity employing a partially reflective structure (PRS) Double-layer. We have demonstrated by numerical simulation and experimental characterization, the physical phenomenon of inversion phase of the reflection coefficient PRS. We obtain a positive gradient of the phase over a broad band of 5 GHz around 80GHz. Thanks to this new profile obtained by the PRS metamaterial structure, it has a linear advance of the phase which compensates for the delay of the Fabry-Perot cavity. Thus the cavity resonance conditions are maintained over a wide band, 5GHz. We demonstrate that the implementation of this structure with unique features allows a highly directive antenna cavity over a very wide spectral band 5GHz. The performance are a directivity of 35-40 dBi over 5 GHz, a perfect adaptation (gain ~ directivity) with very few primary sources.

This thesis introduces efficient numerical techniques for the analysis of novel electromagnetic metamaterials. The modelling is based on a Method of Moments modal analysis in conjunction with an interpolation scheme, which significantly accelerates the computations. Triangular basis functions are used that allow for modelling of arbitrary shaped metallic elements. Unlike the conventional methods, impedance interpolation is applied to derive the dispersion characteristics of planar periodic structures. With these techniques, the plane wave and the surface wave responses of fractal structures have been studied by means of transmission coefficients and dispersion diagrams. The multiband properties and the compactness of the proposed structures are presented. Based on this method, novel planar left-handed metamaterials are also proposed. Verifications of the left-handedness are presented by means of full wave simulation of finite planar arrays using commercial software and lab measurement. The structures are simple, readily scalable to higher frequencies and compatible with low-cost fabrication techniques.

La technologie RFID (Radio Frequency Identification) prend une place de plus en plus importante dans la société d'aujourd'hui notamment dans des domaines aussi variés que la santé, la sécurité, la logistique... Le développement de cette technologie met en évidence de nouvelles contraintes comme la réduction des zones de lecture et la géo-localisation pour le stockage et le suivi de marchandises. Dans ce contexte, la thèse s'est focalisée sur le développement d'antennes pour lecteur RFID dans le cadre du projet SPINNAKER piloté par TAGSYS RFID et soutenu par OSEO. L'objectif de cette étude est de concevoir des antennes compactes et directives à polarisation circulaire en bande UHF et SHF. L'antenne hélice présente toutes ces caractéristiques à l'exception de la hauteur, très importante dès que l'on souhaite obtenir des performances élevées surtout en gain. Dans ce manuscrit, trois solutions sont proposées pour réduire la hauteur de l'antenne hélice tout en répondant aux cahiers des charges. La première solution consiste à utiliser un réflecteur de forme cylindrique ou conique qui permet de réduire la hauteur d'une antenne hélice classique d'un facteur quatre pour atteindre 0,9λ. La réduction de la hauteur se traduit par une augmentation de la surface autour de l'antenne avec une dimension latérale de 2,3λ. La seconde solution consiste à utiliser l'antenne hélice avec une cavité Fabry-pérot. La hauteur du système antennaire obtenue est de 0,5λ avec un diamètre de 2λ. La dernière solution développée dans la thèse introduit une surface CMA à la solution précédente qui permet de réduire la hauteur à 0,25λ. Toutes les solutions proposées ont été validées expérimentalement. / Over the past 20 years, the RFID (Radio Frequency Identification) technology is having a huge expansion. Nowadays, it is frequently used in different areas as the health, the security and the logistic. A lot of researches are ongoing on this topic, especially in order to reduce the reading zone of the readers and to locate the tags. This thesis focuses on the development of new antennas for Readers RFID devices and is part of the SPINNAKER project supported by OSEO. The antennas requirements are circular polarization, high directivity and gain with low profile. The helix antennas meet all these requirements except the axial length. In this manuscript, we propose three solutions to reduce the helix antenna axial length. The first one uses a cylindrical or conical optimal reflector to reduce the length by four. This reduction affects directly the surface witch increases up to 2.3λ. The second solution uses the helix antenna as a circular polarization feed for a Fabry-Perot (FP) cavity. The final antenna presents a cavity height of 0.5λ and a 2λ diameter. The last solution conserves the FP cavity in which we include an Artificial Magnetic Conductor (AMC) to reduce the cavity height to 0.25λ. All these solutions are validated by measurements.

Grâce aux progrès réalisés ces dernières années dans la conception de réseaux intelligents, tels que les réseaux centrés sur la personne (WBAN) ou les réseaux sans fils de proximité (WPAN), de nouveaux types d’applications émergent et utilisent des capteurs d’informations capables de relever les paramètres physiologiques, environnementaux et plus particulièrement le positionnement des personnes. Dans ce cadre, nous nous sommes attachés dans ce travail de recherche à la conception et la réalisation d’antennes en polarisation circulaire pouvant être intégrées dans des vêtements, pour les standards de géolocalisation européen Galiléo et Américain GPS. Nous avons utilisé pour ces antennes des structures métamatériaux de type conducteurs magnétiques artificiels, afin d’augmenter les performances en rayonnement et pour diminuer le couplage avec et le corps humain. Une autre voie explorée est l’utilisation d’antennes patchs qui sont de nature faible encombrement. La bande de fréquence du standard de communications par satellite Iridium étant très proche du standard de géolocalisation GPS, nous avons trouvé intéressant de développer une solution de type patch couvrant les deux bandes GPS (1,575 GHz) et Iridium (1,621 GHz). L’antenne devant être intégrée sur une boite crânienne, les niveaux de débit d’absorption spécifique et les modifications du rayonnement sous conformation de l’antenne ont également été étudiés. L’évolution de ce travail a été ensuite d’étudier le comportement de cette antenne posée sur le dessus d’un casque militaire français. Les performances en rayonnement ont été satisfaisantes et ont montré la possibilité d’une telle application. / Thanks to the progress made in the recent years in the design of smart networks, such as wireless Body Area Network (WBAN), or Wireless Personal Area Network (WPAN), a novel type of emerging applications using smarts sensor measuring physiologic parameters, environmental et more particularly positioning of the persons are nowadays available. In the research presented in this manuscript, we are committed to design and realize antennas that can be possibly integrated into clothes, dedicated to the American GPS (1.227 GHz - 1.575 GHz) and European Galileo (1.180 GHz - 1.575 GHz) global navigation satellite systems. We used for these antennas a type of metamaterial structure named artificial magnetic conductor, to increase and enhance the radiation performance and reduce the coupling between the antenna and the human body. Another way has been explored using patch antenna solutions that are inherently low profile antennas. As the frequency band of the satellite communication system Iridium is close to the GPS one, we developed a dual band antenna solution covering both GPS (1.575 GHz) and Iridium (1.612 GHz) standards. The antenna being dedicated to be integrated over a human skull, the specific absorption rate and the radiation modification was also studied.

Les antennes présentes dans la plupart des systèmes communicants comme les véhicules automobiles, les avions et les trains se multiplient et sont soumises à une contrainte d’intégration de plus en plus sévère. De nombreuses techniques de miniaturisation d’antennes existent et passent toutes par un compromis entre la taille et les performances (bande passante et/ou rendement de rayonnement). Pour les systèmes cités ci-dessus, les antennes sont souvent placées devant ou à proximité d’un réflecteur métallique (toit de véhicule, carlingue d’aéronef). Dans ce cas, l’épaisseur de système antennaire est une contrainte majeure et les métamatériaux de type Conducteur Magnétique Artificiel (CMA) ouvrent des perspectives intéressantes grâce à leurs propriétés électromagnétiques non conventionnelles. Cependant, pour les applications sub-GHz (RFID, LTE, PMR…), les CMA sont limités par les dimensions des cellules unitaires nécessaires à leur mise en œuvre (λg/4) ainsi que leur bande réduite de fonctionnement. Réduire leurs dimensions permet de rendre leur utilisation compatible avec le contexte des antennes miniatures intégrées. Ajouter l’agilité fréquentielle permet de palier le problème de la bande passante réduite dans le cas des antennes et des CMA miniaturisés en ajustant le fonctionnement du système antennaire sur une large bande passante. Cette thèse de doctorat propose d’étudier et de développer un nouveau système antennaire à faible profil composé d’une antenne miniature associée à une métasurface compacte reconfigurable en fréquence et compatible avec le standard NB-IoT dans la bande basse LTE (700 MHz – 960 MHz). / Antennas are now very integrated in several connected systems like cars, airplanes and trains. Many antenna miniaturization techniques exist and all go through a compromise between size and performance (bandwidth and/or radiation efficiency). For the systems mentioned above, the antennas are often placed near a metallic reflector (vehicle roof, aircraft cabin). Within this context, Artificial Magnetic Conductors (AMC) present an attractive reflector for low profile antennas which can take advantage of intrinsic zero reflection phase response to boost antenna performance without the need for thick quarter wave backplane. However, for sub-GHz applications (RFID, LTE, PMR ...), AMC are limited by the size of the unit cells necessary for their implementation (λg/4) as well as their reduced operating bandwidth. AMC miniaturization makes their use compatible with small antennas. Adding tunability restores the possibility of adjusting the operating frequency over a large bandwidth. This PhD thesis proposes to study and develop a new electrically small, low-profile antenna based on miniaturized and tunable AMC for the NB-IoT standard in low LTE band (700 MHz – 960 MHz).

Cílem této práce je popsat současný stav v oblasti mikrovlnných komponent na bázi textilu a poté také autorův příspěvek k výzkumu. V tomto studijním oboru je třeba řešit mnoho problémů, a proto jsou stanoveny velmi konkrétní cíle, které by měly tvořit kompletní komunikační systém, který by byl snadno integrovatelný do čalounění uvnitř letadla nebo jiného vozidla. První kapitola je zaměřena na použití relativně nízkofrekvenčních obvodů v pásmu UHF a vysokofrekvenční sklízení energie. Po simulacích následují praktická měření. Další kapitola charakterizuje nové 3D pletené textilie a jejich vysokofrekveční vlastnosti a modelování na velmi vysokých frekvencích, které jsou žádoucí pro užití jako komunikační kanály. S prakticky ověřeným a numericky popsaným textilním substrátem pro použití v pásmu SHF je představena nový vlnovod integrovaný do textilu na bázi tisknutelného umělého magnetického vodiče s praktickou metodikou návrhu. Po ověření byl vlnovod použit pro základní dělič výkonu, dvě různé antény a dva typy senzorů. Všechny návrhy byly vyrobeny a testovány s uspokojivými výsledky.

Yes / This paper presents a novel on-chip antenna using standard CMOS-technology based on metasurface implemented on two-layers polyimide substrates with a thickness of 500 μm. The aluminium ground-plane with thickness of 3 μm is sandwiched between the two-layers. Concentric dielectric-rings are etched in the ground-plane under the radiation patches implemented on the top-layer. The radiation patches comprise concentric metal-rings that are arranged in a 3 × 3 matrix. The antennas are excited by coupling electromagnetic energy through the gaps of the concentric dielectric-rings in the ground-plane using a microstrip feedline created on the bottom polyimide-layer. The open-ended feedline is split in three-branches that are aligned under the radiation elements to couple the maximum energy. In this structure, the concentric metal-rings essentially act as series left-handed capacitances CL that extend the effective aperture area of the antenna without affecting its dimensions, and the concentric dielectric rings etched in the ground-plane act as shunt left-handed inductors LL, which suppress the surface-waves and reduce the substrates losses that leads to improved bandwidth and radiation properties. The overall structure behaves like a metasurface that is shown to exhibit a very large bandwidth of 0.350–0.385 THz with an average radiation gain and efficiency of 8.15dBi and 65.71%, respectively. It has dimensions of 6 × 6 × 1 mm3 that makes it suitable for on-chip implementation. / This work is partially supported by RTI2018-095499-B-C31, Funded by Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, Gobierno de España (MCIU/AEI/FEDER,UE), and innovation programme under grant agreement H2020-MSCA-ITN-2016 SECRET-722424 and the fnancial support from the UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) under grant EP/E022936/1. / Research Development Fund Publication Prize Award winner, March 2020