 |
 |
|
Existing applicants/evaluators log in here
|
|
Cooperability
| Project leader |
Hrabar Silvio |
| Project co-leader: |
Anthony Grbic |
| Administering organization: |
University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing, Unska 3, 10000 Zagreb, Croatia, www.fer.hr, OIB: 57029260362 |
| Partner Institution/Company: |
University of Michigan, College of Engineering, The Radiation Laboratory |
| Grant type: |
1B |
| Project title: |
Passive and Active Metamaterial Structures for Guiding, Scattering and Radiation of Electromagnetic Energy |
| Project summary: |
Metamaterials are artificial structures, engineered to provide unusual electromagnetic properties, not found in naturally occurring materials. Although the tremendous research efforts have been put into investigation of these structures in the last decade, there are still very few real-world engineering applications reported so far. This lack of applications is a consequence of two main problems: the significant losses and narrow bandwidth. These problems are caused by basic background physics, namely by the energy-dispersion constraints. The most successful designs nowadays offer losses of 0.2 dB – 0.5 dB per unit cell, while the operational bandwidth does not exceed 20%. In addition, there is a closely related issue of reliable characterization of metamaterials which is a very demanding task, especially in the case of highly complex anisotropic volumetric metamaterials and planar metamaterials. The general ‘extraction’ method that can be applied to arbitrarily complex 3D anisotropic metamaterials or complex metasurfaces has not been published so far. In this project, all three problems (enlarging the bandwidth, decreasing the losses and developing characterization methods for general metamaterial structures) are tackled, together with a proposal of practical engineering applications.
In the first part, passive techniques for broadening the bandwidth of metamaterials are investigated. The design strategy is based on the combination of electromagnetic band-gap structures with ordinary transmission lines. The appropriate design tool, based on combined numerical-analytical approach, is developed. The correctness of proposed approach is verified by fabrication and measurements on the prototypes of low-loss broadband gap-waveguide components, operating in microwave regime.
In the second part, active techniques for broadening operational bandwidth of metamaterials are investigated. The basic idea involves incorporation of non-Foster elements (negative capacitors and negative inductors) into ordinary transmission-line structures. In such a way, it is possible to overcome energy-dispersion constraints and achieve ultra-broadband operation (relative bandwidth of more than four octaves). Further increase of the versatility is achieved by development, fabrication, and measurement of RF non-Foster metamaterial with in-situ reconfigurable unit cell, able to achieve either DPS-ENZ or DPS-MNZ behavior. This approach enables different applications such as: cloaking, antennas, and artificial surfaces.
In the third part, reliable extraction methods, able to fully characterize general 2D and 3D metamaterial structures, are developed. The methods are tested by design, fabrication and measurements of anisotropic 2 1/2D cloak and DB metasurface in microwave regime. Finally, the extension to characterization of graphene metasurfaces, operating in optical regime, is proposed.
|
| Hrvatski sažetak: |
Metamaterijali su umjetne strukture projektirane za postizanje elektromagnetskih svojstava koja ne postoje u prirodnim materijalima. Usprkos velikih istraživačkih napora uloženim u posljednjem desetljeću, vrlo je malo praktičnih inženjerskih primjena. Ovaj nedostatak posljedica je dva glavna problema: značajnih gubitaka same strukture i uskog frekvencijskog pojasa. Ti problemi uzrokovani su osnovnim fizikalnim ograničenjima, točnije energetsko-disperzijskim relacijama. Trenutno najuspješniji projektirani prototipovi imaju gubitke između 0,2 dB i 0,5 dB po jediničnoj ćeliji dok relativni radni frekvencijski pojas ne prelazi 20%. Nadalje, prisutan je i problem pouzdane karakterizacije metamaterijala, što predstavlja vrlo zahtjevan zadatak, posebno u slučaju složenih anizotropnih volumnih i planarnih struktura. Do sada nije razvijena općenita metoda ekstrakcije parametra primjenjiva na proizvoljne trodimenzionalne anizotropne metamaterijale ili na složene metapovršine. U ovom projektu istražuju se sva tri problema (povećanje širine frekvencijskog pojasa, smanjenje gubitaka i razvoj metoda karakterizacije općenitih metamaterijala), zajedno s prijedlogom praktičnih inženjerskih primjena.
U prvom dijelu, analiziraju se pasivne tehnike za povećanje širine frekvencijskog pojasa. Strategija projektiranja temelji se na kombinaciji elektromagnetskih zapornih struktura s prijenosnim linijama. Pri tome je razvijena odgovarajuća metoda projektiranja temeljena na kombiniranom analitičko-numeričkom pristupu. Ispravnost predloženog pristupa potvrđena je izradom i eksperimentalnom verifikacijom prototipova valovodnih komponenti. Razvijene komponente temeljene su na periodičkim strukturama s malim gubitcima i širokim frekvencijskim pojasom.
U drugom dijelu istražuju se aktivne tehnike za proširenje frekvencijskog pojasa metamaterijala. Osnovna ideja temelji se na uključivanju ne-Fosterovih elemenata (negativnih kapaciteta i negativnih induktiviteta) u prijenosne strukture. Na taj način omogućeno je zaobilaženje energetsko-disperzijskih ograničenja i postizanje ultra-širokopojasnog rada (relativna širina frekvencijskog pojasa od preko četiri oktave). Nadalje, razvija se i eksperimentalno istražuje nova vrsta prilagodljivih ne-Fosterovih metamaterijala temeljena na rekonfigurabilnoj jediničnoj ćeliji koja može imati DPS-ENZ ili DPS-MNZ ponašanje. Ovaj pristup omogućuje upotrebu u različitim inženjerskim primjenama poput elektromagnetske nevidljivosti, antenske tehnologije i umjetnih elektromagnetskih površina.
U trećem dijelu razvijaju se robusne metode ekstrakcije za karakterizaciju općenitih 2D i 3D metamaterijala. Ove metode verificiraju se kroz projektiranje, izradu i mjerenja na prototipovima anizotropnog 2 1/2D plašta nevidljivosti i DB metapovršina u mikrovalnom području frekvencija. Na kraju, razvijene metode ekstrakcije elektromagnetskih parametara proširuju se na karakterizaciju grafenskih metapovršina u optičkom području frekvencija.
|
| Amount requested from UKF: |
1.150.000,00 HRK |
| Amount of matching funding: |
230.000,00 HRK |
|
|
|
