Fokussierende Negativ-Index-Strukturen im Millimeterwellenbereich
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gesamtziel dieses Vorhabens bestand in der Untersuchung von hocheffizienten Negativ-Index-Metamaterialien, die zur Fokussierung von Abbildungen und Realisierung von einer hochauflösenden Linse im Hochfrequenzbereich dienen. Die so genannte Superlinse soll aus einem polarisationsunabhängigen, verlustarmen und negativ-brechenden Material bestehen. Da solche Materialien in der Natur nicht vorkommen, werden künstlich metallische und dielektrische Anordnungen gezielt strukturiert, um gleichzeitig eine negative Permittivität und Permeabilität und somit einen negativen Brechungsindex zu erzeugen. Die perfekte Linse erfordert die Realisierung von dreidimensionalen Negativ-Index-Metamaterialien mit hoher Transmission, kleiner Reflexion und einem Brechungsindex nahezu -1. Hierfür wurden mehrere Grundzellen basierend auf der symmetrischen Fischnetzstruktur sowohl theoretisch als auch messtechnisch untersucht. Die Optimale Anordnung besteht aus zehn stark gekoppelten Einzelschichten und besitzt einen Brechungsindex von ca. -1, eine Transmission von -0,5 dB und einen sehr hohen Gütefaktor > 36 bei 38,5 GHz. Bei der Optimierung von dreidimensionalen Strukturen wurden unphysikalische Unstetigkeiten in den zurückgewonnenen Parametern beobachtet, was die Nichtanwendbarkeit der Rückgewinnungsmethode unter bestimmten Bedingungen zeigt. Solche Effekte wurden im Rahmen mehrerer Zusammenarbeiten untersucht und sind auf die Ausbreitung von Bloch-Moden höherer Ordnungen zurückzuführen, die ein komplexes Verhalten verursachen und nicht durch effektive Parameter beschrieben werden können. Die Unstetigkeit verschwindet, wenn zusätzliche Verluste gezielt hinzugefügt werden, so dass nur die Grundmode sich ausbreiten kann. Um die Fähigkeit des entworfenen Negativ-Index-Metamaterials als eine planare Superlinse zu überprüfen, wurde ein Messaufbau, der das Nahfeld der Anordnung in einer Doppelschlitzkonfiguration aufnimmt, realisiert. Hier konnten zwei Subwellenlängen-Objekte mit einem gesamten Abstand von 0,88 λ fokussiert. Dies kann zwar als ein erfolgreiches Ergebnis bezeichnet werden, da bis jetzt noch keine Messergebnisse von fokussiereden Fischnetzstrukturen in der Literatur bekannt sind, aber mit solchen Metamaterialien ist man noch weit entfernt, eine perfekte Linse zu bauen. Der Grund dafür sind die großen Dimensionen der Einheitszelle und somit das kleine Wellenlängen-Perioden-Verhältnis. Hier ist es schwer, das Metamaterial als homogen zu betrachten, und die planare Linse ist räumlich stark abhängig. Damit die räumliche Abhängigkeit verringert wird und eine höhere Auflösungsgrenze erreicht wird, sollen die Dimensionen der Fischnetz-Einheitszelle durch Struktur-Engineering weiter verkleinert werden. Der Ansatz der extremen Kopplung zwischen den Metallplatten kann zum Beispiel genutzt werden, um das Prinzip theoretisch im Hochfrequenzbereich nachzuweisen. Hier ist allerdings die Herstellung des Substrats mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 µm sehr herausfordernd. Eine vielversprechende Funktion für solche Fischnetz-Strukturen in heutigen Anwendungen ist die Erhöhung der Transmission durch Impedanz-Anpassung an beliebigen Materialien. Da die Metamaterialien regelbare interne Eigenschaften besitzen, ist es möglich, die Effizienz von Radomen und Antennen durch Anpassung am Trägermaterial zu erhöhen. Darüber hinaus können diese Strukturen als perfekte Filter, Absorber und Reflektoren verwendet werden, wenn die Parameter der Einheitszelle entsprechend entworfen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Novel low loss broadband polarization independent fishnet negative index metamaterials at 40 GHz“, 9th International Conference on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (PECS-IX), Granada, Spanien, Abstracts Book p. 126 (2010)
W. Sfar Zaoui, K. Chen, W. Vogel, M. Berroth
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„Low loss broadband polarization independent fishnet negative index metamaterial at 40 GHz“, Photonics and Nanostructures: Fundamentals and Applications 10, 245-250 (2012)
W. Sfar Zaoui, K. Chen, W. Vogel, M. Berroth
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„Simulation study of 3D polarization independent fishnet negative index metamaterials at 40 GHz“, 15th International Conference on Aerospace Sciences & Aviation Technology (ASAT 15), Kairo, Ägypten, Paper 009-MS (2013)
M. A. Nafe, W. Sfar Zaoui, M. Berroth
