Simulation, Herstellung und Messung dreidimensionaler Metamaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dass Metamaterialien ein enormes theoretisches Potential zur Nutzung völlig neuer elektromagnetischer Effekte bieten, ist seit vielen Jahren bekannt. Im Wesentlichen geht es darum, den Wertebereich der elektrischen und magnetischen Materialparameter zu erweitern, insbesondere hin zu sehr kleinen Werten nahe 0 und vor allem auch hin zu negativen Werten. Das Design und die Realisierung von Metamaterialien stellen jedoch Herausforderungen dar, die noch große Forschungsanstrengungen erfordem. Ausgangspunkt fur das vorliegende Projekt war ein Ansatz zur Realisierung von vektoriellen dreidimensionalen (3D) Metamaterialien auf der Grundlage des rotierten Transmission Line Matrix (RTLM) Rechenschemas. Dadurch gelingt es, eine vektorielle Entkopplung und somit eine starke Vereinfachung der äußerst komplexen 3D Schaltungsdarstellung der Metamaterialien zu erreichen. Trotzdem ist es immer noch eine sehr anspruchsvolle Aufgabe, die konkreten Zusammenhänge zwischen der Schaltungsrealisierung und einer konkreten physikalisch/technischen Realisierung des Metamaterials zu finden. Insbesondere wird dies dadurch erschwert, dass verschiedene parasitäre Effekte eine Rolle spielen, die eine entkoppelte Behandlung der Teilschaltungen erschweren, und die häufig auch zu unbeabsichtigten parasitären Wellen innerhalb der Metamaterialstruktur (gestörte ebene Wellen) führen. Im Rahmen der durchgefiihrten Arbeiten ist es jedoch gelungen, ein Design zu finden und zu realisieren, dass die besonders störende parasitäre Grundmode wirkungsvoll verhindert und es wurden messtechnische und simulationstechnische Verfahren und Vorgehensweisen erarbeitet, die eine gezielte Bestimmung der Ersatzschaltungselemente und somit ein wirkungsvolles Design der 3D Metamaterialien (inklusive Balancierung) erlauben. Umfangreiche Untersuchungen an ID, 2D und 3D Strukturen haben das Verständnis für die Funktionsweise und Realisierbarkeit von Metamaterialien weiter verbessert. Außerdem konnten neuartige Methoden zur Vollwellenanalyse der zugrunde liegenden periodischen Strukturen entworfen und realisiert werden. Die reproduzierbare Realisierung von Metamaterialien (vor allem im 3D Fall) stellt immer noch eine große Herausforderung dar. Fertigungs- und Materialtoleranzen müssen sehr gering sein, damit ein bestimmtes Design auch in der praktischen Umsetzung zu den gewünschten Ergebnissen führt. Deshalb sollte auch weiterhin versucht werden, noch robustere und noch besser realisierbare Designs von Metamaterialien zu finden. Die Ersatzschaltbilddarstellung ist in vielen Fällen eine große Hilfe für Analyse und Design, jedoch wird es bei zunehmenden Frequenzen immer schwieriger, brauchbare Ersatzschaltbildbeschreibungen zu finden, so dass direkte „feldtheoretische" Ansätze bei hohen Frequenzen möglicherweise geeigneter sind. Die Anwendung von Metamaterialien für Linsenstrukturen und neuartige Mikrowellenbauelemente ist nachwievor eine attraktive Option, muss aber durch reproduzierbare und kostengünstige Designs und Realisierungsmethoden erarbeitet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A 3D Isotropic Left-Handed Metamaterial Based on the Rotated TLM Scheme. In: Time-Domain Methods in Modern Engineering Electromagnetics, A Tribute to Wolfgang J. R. Hoefer, Springer, November 2008, Ed. 1, Vol. 121, pages 239-262
M. Zedier, C. Caloz and P. Russer
- A three-dimensional left-handed metamaterial based on the rotated TLM method. Proc. SPIE Photonics Europe, Strassburg, France, April 2008
M. Zedler and P. Russer
- Circuit theory unifying description for metamaterials. In: Proc. URSI GA 2008, Chicago, USA, July 2008
M. Zedier, U. Siart and P. Russer
- Full-wave simulation of a finite 3D Metamaterial slab consisting of rotated TLM metamaterial cells. Proc. of the Metamaterials Week 2008, Barcelona, Spain, February 2008
M. Zedler and P. Russer
- IIR approach for the efficient computation of largescale 3D RTLM CRLH metamaterials. Proceedings of the 24th Annual Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics ACES, March 30 - April 4 2008, Niagara Falls, Canada, March-April 2008
M. Zedier, P. So, C. Caloz and P. Russer
- Systematic Topological Design of Metamaterials; Scalar and Vectorial 3D Metamaterials and their Realisation. Dissertation, Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik, Technische Universität München, 2008
Michael Zedier
- Topological description of metamaterials. 2nd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, Pamplona, Spain, September 2008
M. Zedler, S. Hofmann, U. Siart and P. Russer
- Circuit theory approach to the design of metamaterials. International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), September 2009
M. Zedier and P. Russer
- Periodically Loaded Waveguide Analysis by Propagating and Evanescent Mode Superposition. European Microwave Conference (EuMC), Rome, Italy, October 2009
Y. Weitsch and T. Eibert
- Three-dimensional isotropic scalar metamaterial with Drude dispersion for the permittivity and permeability. IEEE MTT-S International Microwave Symposium, June 2009
M. Zedler, G.V. Eleftheriades and P. Russer
- Modal Expansion of Periodically Loaded Waveguides Extended to the Evanescent Frequency Domain. Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS), Xian, China, March 2010
Yvonne Weitsch and Thomas F. Eibert
