3D printed metamaterial lenses for microwave antennas

Abstract

This report presents the results from a study initialized and financed by «kompetanseområde Materialteknologi» at the Norwegian Defence Research Establishment (FFI). It is an exploratory study on metamaterials, and the work presented here is limited to materials with spatially varying permittivity and their applications to antennas. Metamaterials are materials with properties that are not readily available in nature. Usually, the special properties arise from structures in the material, which results in electromagnetic waves experiencing unusual or unnatural permittivity and/or permeability when interacting with the metamaterial. These meta properties are usually only present in limited frequency bands. The authors of this report have previous experience from antenna design using 3D printing. In this work, we use this manufacturing technology to produce blocks of plastic with varying density to demonstrate that we can produce materials with controllable permittivity. This requires a structure with a resolution significantly higher than the wavelength. For our microwave applications with wavelengths down to one centimeter, we require a structure at millimeter scale. Producing such fine structures has recently become possible with the use of modern 3D printers. Simulations and measurements on the plastic blocks show that we can achieve relative permittivity values ranging from close to one (as in air) and up towards the permittivity of 100 percent density of the material being used. To demonstrate relative permittivity, we designed a number of plastic lenses with spatially varying density and measured the effect on the radiation diagram of an antenna. The example presented here shows a 3dB increase in gain over a relative bandwidth of more than 2:1. In radio systems, the range is proportional to the square root of the transmitted power, and hence a 3dB gain results in more than 40 percent increase in range.

Denne rapporten oppsummerer arbeidet som er gjort i en utforskende studie om metamaterialer, initiert og finansiert av kompetanseområde Materialteknologi ved Forsvarets forskningsinstitutt (FFI). Temaet her er begrenset til materialer med romlig varierende permittivitet og anvendelser innen antenneteknologi. Metamaterialer er materialer med egenskaper som ikke er tilgjengelige i naturlige eller naturskapte materialer. Vanligvis fremkommer disse egenskapene ved at materialet har en spesiell struktur som resulterer i at elektromagnetiske bølger utsettes for andre verdier for permittivitet og/eller permeabilitet sammenliknet med naturlige materialer. Metaegenskapene er normalt bare til stede for begrensede frekvensområder. Forfatterne har tidligere erfaring med antenneutvikling og -produksjon ved hjelp av 3D-printere. I dette arbeidet brukte vi 3D-printing til å produsere blokker av plast med forskjellig tetthet for å demonstrere at vi kan produsere materialer med kontrollerbar permittivitet. Dette krever en struktur som er vesentlig finere enn bølgelengden. For våre mikrobølgeapplikasjoner, med bølgelengde ned mot én centimeter, kreves dermed strukturer ned mot én millimeter. Dette er nylig blitt tilgjengelig ved bruk av moderne 3D-printere. Simuleringer og målinger på plastblokkene viser at vi kan realisere relativ permittivitet som varierer fra ned mot én (som er permittiviteten til luft) opp mot permittiviteten til printematerialet med 100 prosent tetthet. For å demonstrere varierende relativ permittivitet designet vi et antall linser med romlig varierende tetthet og målte deres påvirkning på en antennes strålingsegenskaper. I eksempelet som presenteres i denne rapporten, blir økt antenneforsterkning på omkring 3dB demonstrert over en relativ båndbredde på mer enn 2:1. For et radiosystem er rekkevidden proporsjonal med kvadratroten av sendereffekten, og 3dB resulterer dermed i over 40 prosent økt rekkevidde.