EP1961076A1 - Base unit and device for the transfer of electromagnetic fields - Google Patents

Base unit and device for the transfer of electromagnetic fields

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Publication number
EP1961076A1
EP1961076A1 EP06840868A EP06840868A EP1961076A1 EP 1961076 A1 EP1961076 A1 EP 1961076A1 EP 06840868 A EP06840868 A EP 06840868A EP 06840868 A EP06840868 A EP 06840868A EP 1961076 A1 EP1961076 A1 EP 1961076A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
cell
cells
base unit
gates
nodes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06840868A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Russer
Michael Zedler
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Technische Universitaet Muenchen
Original Assignee
Technische Universitaet Muenchen
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Muenchen filed Critical Technische Universitaet Muenchen
Publication of EP1961076A1 publication Critical patent/EP1961076A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

Definitions

  • the invention relates to a base unit for the transmission of electromagnetic fields with six gates, each having two poles.
  • the invention further relates to a device for the transmission of electromagnetic fields.
  • Such a device is from GRBIC, A .; ELEFTHERIADES, G.V .: An isotropic three-dimensional negative-refractive index transmission-line metamaterial. In: Journal of Applied Physics, Vol. 98, 043106 (2005).
  • the known device comprises a base unit with a plurality of gates, each having two poles.
  • the base unit can be used to provide metamaterials that have a negative refractive index.
  • Metamaterials are artificial structures which, in certain frequency ranges, exhibit both negative dielectric coefficients and negative permeability coefficients. A detailed review of metamaterials is described, for example, in the publication of LAI, A.; ITOH, T .: Complete Right / Left-Handed Transmision Line Metamaterials. In: IEEE Microwave Magazine, September 2004, pp. 34-50. Metamaterials are composed of stringed base units.
  • the object of the invention is therefore to provide base units and devices for the transmission of electromagnetic fields which are suitable for metamaterials.
  • the base unit for transmission of electromagnetic fields has six gates, each with two poles. Furthermore, there are four nodes connected via inductances to a central point, whereby the gates can be grouped into three pairs whose poles can be connected via capacitances to different nodes.
  • the base unit is formed as a three-dimensional cell, so that the devices composed of the base units are suitable for spatial applications.
  • the base unit preferably has a cuboid structure, which facilitates the lining up of base units.
  • Fields based on the base unit preferably contain two complementary types of base units, hereafter referred to as A-cell and B-cell.
  • the A cells and B cells can be serially connected, with A cells each connected to B cells and B cells each to A cells. This structure is useful if the A cells and the B cells have to be realized separately.
  • a cells and B cells in a volume element.
  • Figure 1 shows the structure and the circuit of a first unit cell
  • FIG. 2 shows the structure and the circuit of a second elementary cell
  • FIG. 3 shows a simplified representation of the first unit cell from FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a simplified representation of the second unit cell from FIG. 2 / Figure 5 shows an arrangement with two first and two second unit cells;
  • FIG. 6 shows an arrangement with four first and four second unit cells
  • FIG. 7 shows the representation of a nested unit cell
  • FIG. 8 shows the enlarged view of the gates of the unit cell from FIG. 7;
  • Figure 9 is an illustration of the circuit of a unit cell projected onto a plane
  • Figure 10 is a perspective view of a realized first unit cell
  • FIG. 11 is a perspective view of a realized second unit cell
  • Figure 12 is a perspective view of a realized combination of first and second unit cell
  • Figure 13 is a photograph of an elementary cell used for measurements
  • FIG. 14 is a calculated dispersion diagram
  • FIG. 15 shows a further dispersion diagram in combination with a representation of the characteristic impedance.
  • Figures 1 and 2 show the schematic representations of geometry and circuit of a first unit cell 100 and a second unit cell 200.
  • Each of the two unit cells 100 and 200 is a six-port.
  • the first unit cell 100 will also be referred to hereinafter as the A cell and the unit cell 200 referred to as B cell.
  • the A-cell in Figure 1 contains six ports, designated 1 to 6. From these gates, conductors go to nodes 21, 22, 23 and 24. In each of the twelve conductors from ports 1 to 6 to nodes 21 to 24, a capacitor C is inserted.
  • Each of the four nodes 21 to 24 is connected to a central node 25 via an inductance L.
  • the drawing shows not only the diagram, but also the geometric arrangement of the lines schematically.
  • the arrows drawn in the gates represent the counting arrows for the Torverben and also give the
  • the B cell 200 shown in FIG. 2 has an arrangement that is geometrically complementary to the A cell.
  • the elementary cell 200 has gates 7 to 12, which are connected via capacitances C to internal nodes 31 to 34.
  • the wiring of the B-cell with capacitances C and inductances L corresponds to the wiring of the unit cell 100.
  • the polarizations at the gates 7 to 12 are rotated by 90 ° compared to the A-cell.
  • the polarization of the electric field in gate 7 is aligned, for example, in [0, -1, 1] direction.
  • a cells and B cells are linked together such that each A cell has only B cells and each B cell has only A cells.
  • FIG. 5 shows a connection of two A cells and two B cells to a basic cell 300
  • FIG. 6 shows a connection of four A cells and four B cells to a basic cell 400 with a total of 24 ports.
  • These basic cells 300 and 400 according to FIGS. 5 and 6 can be arranged one after the other periodically. It is proposed to construct meta-materials by connecting A cells to B cells such that A cells are linked only to B cells and B cells to A cells only.
  • FIG. 7 shows a further advantageous exemplary embodiment of a basic cell 500.
  • an A cell and a B cell are spatially nested one inside the other so that the A cell occupies the B cell with the same volume element.
  • the combined unit cell 500 of FIG. 7 is a twelve-port gate having gates 1 to 6 and 7 to 12, with gates 1 to ⁇ belonging to the A cell and gates 7 to 12 belonging to the B cell.
  • the advantage of the combined cell according to FIG. 7 is that the combined cells can be lined up directly.
  • a periodic grid can be formed by arranging the combined unit cells 500 in a row.
  • FIG. 8 shows a simplified representation of the combined unit cell 500. It can be seen from FIG. 8 that electromagnetic radiation incident on the basic cell 500 from any spatial direction can be transmitted by it.
  • Circuit of the unit cell 100 shown. It can be seen from FIG. 9 that the gates 1 to 6 each have two poles 40 feature. In addition, the circuit arrangement becomes clear in detail.
  • FIG. 10 shows a perspective view of the unit cell 100 in a concrete realization.
  • leads 41 lead to the inner nodes 21 to 24 which are located at the corners of the cube.
  • the lines 41 take over the function of the inductances L.
  • capacitors 42 are further arranged, which are connected in the corners to the associated nodes 21 to 24.
  • the outer sides of the area capacitors 42 which are arranged diagonally opposite one another on side surfaces of the cube, respectively form the poles of one of the gates 1 to 6.
  • edges of the area capacitors do not touch. Only in the nodes 21 to 24 is there a connection between the inner electrodes of the area capacitors 42.
  • FIG. 11 shows the structure of unit cell 200 complementary to unit cell 100. What has been said about FIG. 10 applies accordingly.
  • the unit cell 100 and the unit cell 200 can be combined to form the combined basic cell 500.
  • FIG. 13 is an illustration of a concrete one
  • FIG. 14 shows a dispersion diagram showing the results of FIG. Simulation calculations to determine the
  • FIG. 14 shows in particular the frequency .omega. Applied in arbitrary units as a function of the wave vector k. It can be seen from FIG. 14 that two left-handed modes 50 and two right-handed modes 51 are formed in each case. The mode at higher frequencies forms a particularly broad frequency band.
  • the left-handed modes are those modes with negative group velocity.
  • a negative group velocity is characteristic of negative refractive index metamaterials.
  • the dashed and the solid curves in FIG. 14 have each been calculated with different parameter values, whereby parasitic variables such as parasitic capacitances connected in parallel with the inductive L or parasitic inductances connected in series with the capacitances C have also been taken into account.
  • FIG. 15 once again shows in the upper diagram the dispersion relation from FIG. 14, the abscissa being the frequency axis and the coordinate representing the phase rotation ⁇ .
  • the dashed curves 60 are the simulation results already shown in FIG. 14, while the solid curves 61 are the result of measurements. In the lower diagram the characteristic impedance is plotted against the frequency.
  • a dashed curve 62 is the result of simulation calculations, while a solid curve 63 results from measurements. It is clear from FIG.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

The invention relates to a metamaterial which is composed of base elements which are provided with six gates having respectively two poles. The base element also comprises four node points which are connected by inductances to the central point, whereon the gates are connected via capacitors.

Description

Beschreibungdescription
Basiseinheit und Vorrichtung für die Übertragung elektromagnetischer FelderBase unit and device for transmission of electromagnetic fields
Die Erfindung betrifft eine Basiseinheit für die Übertragung elektromagnetischer Felder mit sechs Toren, die über jeweils zwei Pole verfügen.The invention relates to a base unit for the transmission of electromagnetic fields with six gates, each having two poles.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung für die Übertragung elektromagnetischer Felder.The invention further relates to a device for the transmission of electromagnetic fields.
Eine derartige Vorrichtung ist aus GRBIC, A.; ELEFTHERIADES, G. V. : An Isotropie three-dimensional negativ-refractive- index transmission-line metamaterial . In: Journal of Applied Physics, VOL. 98, 043106(2005) bekannt. Die bekannte Vorrichtung umfasst eine Basiseinheit mit einer Vielzahl von Toren, die jeweils über zwei Pole verfügen. Mit Hilfe der Basiseinheit lassen sich Metamaterialien bereitstellen, die über einen negativen Brechungsindex verfügen.Such a device is from GRBIC, A .; ELEFTHERIADES, G.V .: An isotropic three-dimensional negative-refractive index transmission-line metamaterial. In: Journal of Applied Physics, Vol. 98, 043106 (2005). The known device comprises a base unit with a plurality of gates, each having two poles. The base unit can be used to provide metamaterials that have a negative refractive index.
Metamaterialien sind künstliche Strukturen, welche in bestimmten Frequenzbereichen sowohl negative Dielektrizi- tätskoeffizienten als auch negative Permiabilitätskoeffizien- ten ausweisen. Eine ausführliche Übersicht über Metamaterialien wird zum Beispiel in der Veröffentlichung von LAI, A. ; ITOH, T.: Complete Right/Left-Handed Transmision Line Metama- terials. In: IEEE Microwave Magazine, September 2004, S. 34 - 50, gegeben. Metamaterialien werden aus aneinander gereihten Basiseinheiten zusammengesetzt.Metamaterials are artificial structures which, in certain frequency ranges, exhibit both negative dielectric coefficients and negative permeability coefficients. A detailed review of metamaterials is described, for example, in the publication of LAI, A.; ITOH, T .: Complete Right / Left-Handed Transmision Line Metamaterials. In: IEEE Microwave Magazine, September 2004, pp. 34-50. Metamaterials are composed of stringed base units.
Mit Hilfe von Metamaterialien lassen sich grundsätzlich Linsen konstruieren, deren Auflösung unterhalb der Auflösungsgrenzen von λ/2 liegt. Ferner sind Antennen denkbar, die eine höhere Empfindlichkeit als herkömmliche Antennen aufweisen. Schließlich ist es auch denkbar, Materialien zu entwickeln, die auf einen Körper auftreffende Strahlung reflexi- onsfrei um den Körper herumführen, so dass der Körper nicht anhand der zurückreflektierten oder gestreuten Anteile der einfallenden elektromagnetischen Strahlung detektiert werden kann.With the help of metamaterials, it is basically possible to construct lenses whose resolution is below the resolution limits of λ / 2. Furthermore, antennas are conceivable which have a higher sensitivity than conventional antennas. Finally, it is also conceivable to develop materials which reflect the radiation impinging on a body. onsfrei lead around the body, so that the body can not be detected on the basis of the reflected back or scattered portions of the incident electromagnetic radiation.
Insbesondere könnte es dadurch möglich sein, Materialien zu entwickeln, die mit Hilfe von Radar nicht detektiert werden können .In particular, it could thereby be possible to develop materials that can not be detected by means of radar.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, Basiseinheiten und Vorrichtungen für die Übertragung elektromagnetischer Felder zu schaffen, die für Metamaterialien geeignet sind.Based on this prior art, the object of the invention is therefore to provide base units and devices for the transmission of electromagnetic fields which are suitable for metamaterials.
Diese Aufgabe wird durch eine Basiseinheit und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.This object is solved by a base unit and a device having the features of the independent claims. In dependent claims advantageous embodiments and developments are given.
Die Basiseinheit für die Übertragung elektromagnetischer Felder weist sechs Tore auf, die über jeweils zwei Pole verfügen. Ferner sind vier über Induktivitäten mit einem Zentralpunkt verbundene Knotenpunkte vorhanden, wobei die Tore in drei Paare gruppierbar sind, deren Pole über Kapazi- täten jeweils mit verschiedenen Knotenpunkten verbindbar sind.The base unit for transmission of electromagnetic fields has six gates, each with two poles. Furthermore, there are four nodes connected via inductances to a central point, whereby the gates can be grouped into three pairs whose poles can be connected via capacitances to different nodes.
Es konnte gezeigt werden, dass Vorrichtungen mit einer Vielzahl von derartigen Basiseinheiten über negative Brechungsin- dices in breiten Frequenzbereichen verfügen.It has been shown that devices with a large number of such base units have negative refractive indices in wide frequency ranges.
Vorzugsweise ist die Basiseinheit als dreidimensionale Zelle ausgebildet, so dass die aus den Basiseinheiten zusammengesetzten Vorrichtungen für räumliche Anwendungen geeignet sind. Weiterhin weist die Basiseinheit vorzugsweise eine quaderförmige Struktur auf, was das Aneinanderreihen von Basiseinheiten erleichtert.Preferably, the base unit is formed as a three-dimensional cell, so that the devices composed of the base units are suitable for spatial applications. Furthermore, the base unit preferably has a cuboid structure, which facilitates the lining up of base units.
Vorrichtungen für die Übertragung von elektromagnetischenDevices for the transmission of electromagnetic
Feldern, die auf der Basiseinheit beruhen, enthalten vorzugsweise zwei komplementäre Arten von Basiseinheiten, die nachfolgend als A-Zelle und B-Zelle bezeichnet werden. Die A- Zellen und B-Zellen können seriell aneinandergereiht werden, wobei A-Zellen jeweils mit B-Zellen und B-Zellen jeweils mit A-Zellen verbunden sind. Diese Struktur bietet sich an, wenn die A-Zellen und die B-Zellen getrennt realisiert werden müssen .Fields based on the base unit preferably contain two complementary types of base units, hereafter referred to as A-cell and B-cell. The A cells and B cells can be serially connected, with A cells each connected to B cells and B cells each to A cells. This structure is useful if the A cells and the B cells have to be realized separately.
Daneben ist es möglich, die A-Zellen und B-Zellen geschachtelt in ein Volumenelement unterzubringen. In diesem Fall ergibt sich eine Basiseinheit mit zwölf Toren, die sich insbesondere für Anwendungen eignet, für die nur wenig Platz zur Verfügung steht.In addition, it is possible to nest the A cells and B cells in a volume element. In this case, there is a base unit with twelve gates, which is particularly suitable for applications for which there is little space available.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description, are explained in the embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings in detail. Show it:
Figur 1 die Struktur und die Schaltung einer ersten Elementarzelle;Figure 1 shows the structure and the circuit of a first unit cell;
Figur 2 die Struktur und die Schaltung einer zweiten EIe- mentarzelle;FIG. 2 shows the structure and the circuit of a second elementary cell;
Figur 3 eine vereinfachte Darstellung der ersten Elementarzelle aus Figur 1;FIG. 3 shows a simplified representation of the first unit cell from FIG. 1;
Figur 4 eine vereinfachte Darstellung der zweiten Elementarzelle aus Figur 2/ Figur 5 eine Anordnung mit zwei ersten und zwei zweiten Elementarzellen;FIG. 4 shows a simplified representation of the second unit cell from FIG. 2 / Figure 5 shows an arrangement with two first and two second unit cells;
Figur 6 eine Anordnung mit vier ersten und vier zweiten Elementarzellen;FIG. 6 shows an arrangement with four first and four second unit cells;
Figur 7 die Darstellung einer verschachtelten Elementarzelle;FIG. 7 shows the representation of a nested unit cell;
Figur 8 die vergrößerte Darstellung der Tore der Elementarzelle aus Figur 7;FIG. 8 shows the enlarged view of the gates of the unit cell from FIG. 7;
Figur 9 eine Darstellung der Schaltung einer Elementarzelle, die auf eine Ebene projiziert worden ist;Figure 9 is an illustration of the circuit of a unit cell projected onto a plane;
Figur 10 die perspektivische Darstellung einer realisierten ersten Elementarzelle;Figure 10 is a perspective view of a realized first unit cell;
Figur 11 die perspektivische Darstellung einer realisierten zweiten Elementarzelle;FIG. 11 is a perspective view of a realized second unit cell;
Figur 12 die perspektivische Darstellung einer realisierten Kombination von erster und zweiter Elementarzelle;Figure 12 is a perspective view of a realized combination of first and second unit cell;
Figur 13 eine Aufnahme einer für Messungen verwendeten ElementarzelIe;Figure 13 is a photograph of an elementary cell used for measurements;
Figur 14 ein berechnetes Dispersionsdiagramm; undFIG. 14 is a calculated dispersion diagram; and
Figur 15 ein weiteres Dispersionsdiagramm in Kombination mit einer Darstellung des Wellenwiderstands.FIG. 15 shows a further dispersion diagram in combination with a representation of the characteristic impedance.
Figur 1 und 2 zeigen die schematischen Darstellungen von Geometrie und Schaltung einer ersten Elementarzelle 100 und einer zweiten Elementarzelle 200. Jede der beiden Elementarzellen 100 und 200 ist ein Sechstor. Die erste Elementarzelle 100 wird nachfolgend auch als A-Zelle und die Elementarzelle 200 als B-Zelle bezeichnet. Die A-Zelle in Figur 1 enthält sechs Tore, die mit 1 bis 6 bezeichnet sind. Von diesen Toren gehen Leiter zu den Knoten 21, 22, 23 und 24. In jedem der zwölf Leiter von den Toren 1 bis 6 zu den Knoten 21 bis 24 ist eine Kapazität C eingefügt. Jeder der vier Knoten 21 bis 24 ist über eine Induktivität L mit einem Zentralknoten 25 verbunden. Die Zeichnung stellt nicht nur das Schaltbild, sondern auch die geometrische Anordnung der Leitungen schematisch dar. Die in den Toren eingezeichneten Pfeile stellen die Zählpfeile für die Torspannungen dar und geben auch dieFigures 1 and 2 show the schematic representations of geometry and circuit of a first unit cell 100 and a second unit cell 200. Each of the two unit cells 100 and 200 is a six-port. The first unit cell 100 will also be referred to hereinafter as the A cell and the unit cell 200 referred to as B cell. The A-cell in Figure 1 contains six ports, designated 1 to 6. From these gates, conductors go to nodes 21, 22, 23 and 24. In each of the twelve conductors from ports 1 to 6 to nodes 21 to 24, a capacitor C is inserted. Each of the four nodes 21 to 24 is connected to a central node 25 via an inductance L. The drawing shows not only the diagram, but also the geometric arrangement of the lines schematically. The arrows drawn in the gates represent the counting arrows for the Torspannungen and also give the
Richtungen des elektrischen Feldes zwischen den beiden Knoten des jeweiligen Tores an. Zwischen den Knoten des Tores 1 ist das elektrische Feld in [0, 1, -1] -Richtung ausgerichtet, zwischen den Knoten des Tores 2 ist das elektrische Feld in [0, 1, 1] -Richtung ausgerichtet. Zwischen den Knoten des Tores 3 ist das elektrische Feld in [-1, 0, 1] -Richtung ausgerichtet und zwischen den Knoten des Tores 4 ist das elektrische Feld in [1, 0, 1] -Richtung ausgerichtet. Zwischen den Knoten des Tores 5 ist das elektrische Feld in [1, -1, 0] -Richtung gerich- tet und zwischen den Knoten des Tores 6 ist das elektrische Feld in [1, 1, 0] -Richtung ausgerichtet.Directions of the electric field between the two nodes of the respective gate. Between the nodes of the gate 1, the electric field is aligned in [0, 1, -1] direction, between the nodes of the gate 2, the electric field in [0, 1, 1] -direction is aligned. Between the nodes of the gate 3, the electric field is aligned in the [-1, 0, 1] direction, and between the nodes of the gate 4, the electric field is aligned in [1, 0, 1] direction. Between the nodes of the gate 5, the electric field is directed in [1, -1, 0] direction, and between the nodes of the gate 6, the electric field is aligned in [1, 1, 0] direction.
Die in Figur 2 dargestellte B-Zelle 200 weist eine zur A- Zelle geometrisch komplementäre Anordnung auf. Die Elementar- zelle 200 verfügt über Tore 7 bis 12, die über Kapazitäten C an innere Knoten 31 bis 34 angeschlossen sind. Die Beschal- tung der B-Zelle mit Kapazitäten C und Induktivitäten L entspricht der Beschaltung der Elementarzelle 100. Die Polarisationen an den Toren 7 bis 12 sind jedoch im Vergleich zur A-Zelle um 90° gedreht. Die Polarisation des elektrischen Feldes in Tor 7 ist beispielsweise in [0,-1, 1] -Richtung ausgerichtet .The B cell 200 shown in FIG. 2 has an arrangement that is geometrically complementary to the A cell. The elementary cell 200 has gates 7 to 12, which are connected via capacitances C to internal nodes 31 to 34. The wiring of the B-cell with capacitances C and inductances L corresponds to the wiring of the unit cell 100. However, the polarizations at the gates 7 to 12 are rotated by 90 ° compared to the A-cell. The polarization of the electric field in gate 7 is aligned, for example, in [0, -1, 1] direction.
Im Folgenden wird die schematische Darstellung der A-Zellen und B-Zellen nach Figur 3 und Figur 4 verwendet, wobei die Kapazitäten und Induktivitäten zwecks Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet werden. In allen Fällen sind jedoch in den Zweigen die Kapazitäten C und Induktivitäten L entsprechend den Figuren 1 und 2 enthalten.In the following, the schematic representation of the A cells and B cells according to FIG. 3 and FIG. 4 is used, wherein the capacitances and inductances are not drawn in for the purpose of simplifying the illustration. In all cases However, in the branches, the capacitances C and inductors L corresponding to Figures 1 and 2 included.
A-Zellen und B-Zellen werden so miteinander verbunden, dass jede A-Zelle nur mit B-Zellen und jede B-Zelle nur mit A-A cells and B cells are linked together such that each A cell has only B cells and each B cell has only A cells.
Zellen verbunden ist. Figur 5 zeigt eine Verbindung von zwei A-Zellen und zwei B-Zellen zu einer Grundzelle 300 und Figur 6 zeigt eine Verbindung von vier A-Zellen und vier B-Zellen zu einer Grundzelle 400 mit insgesamt 24 Toren. Diese Grund- zellen 300 und 400 nach Figur 5 und 6 lassen sich periodisch aneinanderreihen. Es wird vorgeschlagen, Metarαaterialien aufzubauen durch Verbindung von A-Zellen mit B-Zellen in der Weise, dass A-Zellen nur mit B-Zellen und B-Zellen nur mit A- Zellen verbunden sind.Cells is connected. FIG. 5 shows a connection of two A cells and two B cells to a basic cell 300, and FIG. 6 shows a connection of four A cells and four B cells to a basic cell 400 with a total of 24 ports. These basic cells 300 and 400 according to FIGS. 5 and 6 can be arranged one after the other periodically. It is proposed to construct meta-materials by connecting A cells to B cells such that A cells are linked only to B cells and B cells to A cells only.
Figur 7 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Grundzelle 500. Dabei wird eine A-Zelle und eine B- Zelle räumlich ineinander verschachtelt, so dass die A -Zelle die B-Zelle das gleiche Volumenelement einnehmen. Die kombi- nierte Elementarzelle 500 nach Figur 7 ist ein Zwölftor, welches die Tore 1 bis 6 und 7 bis 12 aufweist, wobei die Tore 1 bis β zur A-Zelle und die Tore 7 bis 12 zur B-Zelle gehören. Der Vorteil der kombinierten Zelle nach Figur 7 besteht darin, dass sich die kombinierten Zellen unmittelbar aneinanderreihen lassen Es kann ein periodisches Gitter durch Aneinanderreihung der kombinierten Elementarzellen 500 gebildet werden.FIG. 7 shows a further advantageous exemplary embodiment of a basic cell 500. In this case, an A cell and a B cell are spatially nested one inside the other so that the A cell occupies the B cell with the same volume element. The combined unit cell 500 of FIG. 7 is a twelve-port gate having gates 1 to 6 and 7 to 12, with gates 1 to β belonging to the A cell and gates 7 to 12 belonging to the B cell. The advantage of the combined cell according to FIG. 7 is that the combined cells can be lined up directly. A periodic grid can be formed by arranging the combined unit cells 500 in a row.
Figur 8 zeigt eine vereinfachte Darstellung der kombinierten Elementarzelle 500. Anhand Figur 8 ist erkennbar, dass elektromagnetische Strahlung, die aus einer beliebigen Raumrichtung auf die Grundzelle 500 einfällt von dieser übertragen werden kann.FIG. 8 shows a simplified representation of the combined unit cell 500. It can be seen from FIG. 8 that electromagnetic radiation incident on the basic cell 500 from any spatial direction can be transmitted by it.
In Figur 9 ist schließlich eine auf eine Ebene projizierteFinally, in FIG. 9, one projected onto a plane is shown
Schaltung der Elementarzelle 100 dargestellt. Anhand Figur 9 ist erkennbar, dass die Tore 1 bis 6 jeweils über zwei Pole 40 verfügen. Außerdem wird die Schaltungsanordnung im Einzelnen deutlich.Circuit of the unit cell 100 shown. It can be seen from FIG. 9 that the gates 1 to 6 each have two poles 40 feature. In addition, the circuit arrangement becomes clear in detail.
Zum Nachweis der Eignung für Metamaterial wurden Simulations- rechnungen durchgeführt und Versuche vorgenommen. Der Versuchsaufbau sei dabei anhand der Figuren 10 bis 13 näher erläutert.To prove the suitability for metamaterial, simulation calculations were carried out and experiments carried out. The experimental setup will be explained in more detail with reference to FIGS 10 to 13.
Figur 10 zeigt eine perspektivische Ansicht der Elementarzel- Ie 100 in einer konkreten Realisierung. Bei der in Figur 10 dargestellten Elementarzelle 100 führen ausgehend vom Zentralknoten 25 Leitungen 41 zu den inneren Knoten 21 bis 24, die sich an den Ecken des Kubus befinden. Die Leitungen 41 übernehmen die Funktion der Induktivitäten L. In den Ecken sind des Kubus sind ferner Flächenkondensatoren 42 angeordnet, die in den Ecken an die zugeordneten Knoten 21 bis 24 angeschlossen sind. Die Außenseiten der Flächenkondensatoren 42, die auf Seitenflächen des Kubus diagonal gegenüberliegend angeordnet sind, bilden jeweils die Pole eines der Tore 1 bis 6.FIG. 10 shows a perspective view of the unit cell 100 in a concrete realization. In the unit cell 100 shown in FIG. 10, starting from the central node 25, leads 41 lead to the inner nodes 21 to 24 which are located at the corners of the cube. The lines 41 take over the function of the inductances L. In the corners of the cube surface capacitors 42 are further arranged, which are connected in the corners to the associated nodes 21 to 24. The outer sides of the area capacitors 42, which are arranged diagonally opposite one another on side surfaces of the cube, respectively form the poles of one of the gates 1 to 6.
Es sei angemerkt, dass sich die Kanten der Flächenkondensatoren nicht berühren. Lediglich in den Knoten 21 bis 24 besteht eine Verbindung zwischen den inneren Elektroden der Flächen- kondensatoren 42.It should be noted that the edges of the area capacitors do not touch. Only in the nodes 21 to 24 is there a connection between the inner electrodes of the area capacitors 42.
In Figur 11 ist die zur Elementarzelle 100 komplementäre Struktur der Elementarzelle 200 dargestellt. Das zu Figur 10 Gesagte gilt dort entsprechend.FIG. 11 shows the structure of unit cell 200 complementary to unit cell 100. What has been said about FIG. 10 applies accordingly.
Anhand Figur 12 ist erkennbar, dass die Elementarzelle 100 und die Elementarzelle 200 zu der kombinierten Grundzelle 500 zusammengesetzt werden können.It can be seen from FIG. 12 that the unit cell 100 and the unit cell 200 can be combined to form the combined basic cell 500.
Figur 13 ist schließlich eine Darstellung eines konkretenFinally, FIG. 13 is an illustration of a concrete one
Versuchsaufbaus zur Untersuchung der Elementarzelle 100 oder 200, bei dem zwei Tore mit Anschlüssen für Kabel versehen- worden sind, während die restlichen vier Anschlüsse mit ohmschen Widerständen terminiert worden sind.Experimental setup for the examination of unit cell 100 or 200, where two gates are provided with connections for cables. while the remaining four terminals have been terminated with ohmic resistors.
In Figur 14 ist ein Dispersionsdiagramm dargestellt, das die Ergebnisse von. Simulationsrechnungen zur Bestimmung derFIG. 14 shows a dispersion diagram showing the results of FIG. Simulation calculations to determine the
Dispersionsrelation zeigen. In Figur 14 ist insbesondere die in willkürlichen Einheiten aufgetragene Frequenz ω in Abhängigkeit vom Wellenvektor k dargestellt. Anhand Figur 14 ist erkennbar, dass sich jeweils zwei linkshändige Moden 50 und zwei rechtshändige Moden 51 bilden. Die bei höheren Frequenzen liegende Mode bildet dabei ein besonders breites Frequenzband.Show dispersion relation. FIG. 14 shows in particular the frequency .omega. Applied in arbitrary units as a function of the wave vector k. It can be seen from FIG. 14 that two left-handed modes 50 and two right-handed modes 51 are formed in each case. The mode at higher frequencies forms a particularly broad frequency band.
Die linkshändigen Moden sind diejenigen Moden mit negativer Gruppengeschwindigkeit. Beispielsweise weist die linkshändige Mode 50 im Bereich zwischen k= (0,0,0) bis k=(π,0,0) eine negative Steigung auf, was eine negative Gruppengeschwindigkeit zur Folge hat. Eine negative Gruppengeschwindigkeit ist aber charakteristisch für Metamaterialien mit negativem Brechungsindex.The left-handed modes are those modes with negative group velocity. For example, the left-handed mode 50 has a negative slope in the range between k = (0,0,0) to k = (π, 0,0), resulting in a negative group velocity. However, a negative group velocity is characteristic of negative refractive index metamaterials.
Die gestrichelten und die durchgezogenen Kurven in Figur 14 wurden jeweils mit unterschiedlichen Parameterwerten gerechnet, wobei auch parasitäre Größen wie beispielsweise zu den Induktiven L parallele geschaltete parasitäre Kapazitäten oder zu den Kapazitäten C in Reihe geschaltete parasitäre Induktivitäten berücksichtigt worden sind.The dashed and the solid curves in FIG. 14 have each been calculated with different parameter values, whereby parasitic variables such as parasitic capacitances connected in parallel with the inductive L or parasitic inductances connected in series with the capacitances C have also been taken into account.
Figur 15 zeigt im oberen Diagramm noch einmal die Dispersi- onsrelation aus Figur 14, wobei die Abszisse die Frequenzachse ist und die Koordinate die Phasendrehung χ darstellt. Die Phasendrehung gilt χ = kx-a, wobei a die Ausdehnung der Elementarzelle ist. Die gestrichelten Kurven 60 sind die bereits in Figur 14 dargestellten Ergebnisse der Simulation, während die durchgezogenen Kurven 61 das Ergebnis von Messungen sind. Im unteren Diagramm ist der Wellenwiderstand gegen die Frequenz aufgetragen. Eine gestrichelt eingezeichnete Kurve 62 ist das Ergebnis von Simulationsrechnungen, während eine durchgezogene Kurve 63 sich aus Messungen ergibt. Anhand Figur 15 wird deutlich, dass im Phasenbereich zwischen 0° und 90°, der dem Frequenzbereich zwischen 1 und 1,4 GHz entspricht, ein Wellenwiderstand zwischen 100 und 150 Ohm zu erwarten ist, was eine Anpassung an den Wellenwiderstand des Vakuums möglich erscheinen lässt. FIG. 15 once again shows in the upper diagram the dispersion relation from FIG. 14, the abscissa being the frequency axis and the coordinate representing the phase rotation χ. The phase rotation is χ = k x -a, where a is the extension of the unit cell. The dashed curves 60 are the simulation results already shown in FIG. 14, while the solid curves 61 are the result of measurements. In the lower diagram the characteristic impedance is plotted against the frequency. A dashed curve 62 is the result of simulation calculations, while a solid curve 63 results from measurements. It is clear from FIG. 15 that in the phase range between 0 ° and 90 °, which corresponds to the frequency range between 1 and 1.4 GHz, a characteristic impedance between 100 and 150 ohms is to be expected, which makes it possible to adapt to the characteristic impedance of the vacuum ,

Claims

Patentansprüche claims
1. Basiseinheit zur Übertragung elektromagnetischer Felder mit sechs Toren (1-6, 7-12), die über jeweils zwei Pole (40) verfügen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s vier über Induktivität (L) mit einem Zentralpunkt (25) verbundene Knotenpunkte (21-24, 31-34) vorhanden sind und die Tore (1-6, 7-12) in drei Paare gruppierbar sind, deren Pole (40) über Kapazitäten (C) jeweils mit verschiedenen Knotenpunkten (21-24, 31-34) verbunden sind.1. Base unit for transmission of electromagnetic fields with six ports (1-6, 7-12), each having two poles (40), characterized in that four inductors (L) connected to a central point (25) have nodes (21- 24, 31-34) are present and the gates (1-6, 7-12) are groupable into three pairs whose poles (40) are connected via capacitances (C) respectively to different nodes (21-24, 31-34) are.
2. Basiseinheit nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Basiseinheit als dreidimensionale Zelle ausgebildet ist.2. Basic unit according to claim 1, wherein a base unit is designed as a three-dimensional cell.
3. Basiseinheit nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Basiseinheit quaderförmig ausgebildet ist, wobei jeder Seite des Quaders ein Tor (1-6, 7-12) zugeordnet ist.The base unit according to claim 1 or 2, wherein the base unit is cuboid-shaped, wherein each side of the cuboid is associated with a gate (1-6, 7-12).
4. Basiseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Basiseinheit eine A-Zelle (100) ist, die eine geometri- sehe Anordnung aufweist, bei der das elektrische Feld an den Toren (1-6) jeweils in die Richtungen [0,1,-1], [0,1,1], [- 1,0,1], [1,0,1], [1,-1,0] und [1,1,0] ausgerichtet ist.4. Base unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the base unit is an A-cell (100) having a geometri- see arrangement in which the electric field at the gates (1-6) in each case in the directions [0,1, -1], [0,1,1], [- 1,0,1], [1,0,1], [1, -1,0] and [1,1,0] is aligned.
5. Basiseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Basiseinheit eine B-Zelle (200) ist, die eine geometrische Anordnung aufweist, bei der das elektrische Feld an den Toren (7-12) jeweils in die Richtungen [0,-1,-1], [0,-1,1], [-1,0,-1], [1,0,-1], [-1,-1,0] und [-1,1,0] ausgerichtet ist.5. Base unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the base unit is a B cell (200) having a geometric arrangement in which the electric field at the gates (7-12) in the directions [0 , -1, -1], [0, -1,1], [-1,0, -1], [1,0, -1], [-1, -1,0] and [-1, 1.0] is aligned.
6. Vorrichtung für die Übertragung elektromagnetischer Wellen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Vorrichtung Basiseinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis6. device for the transmission of electromagnetic waves, characterized in that the device base units according to one of claims 1 to
5 enthält.5 contains.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 und 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Vorrichtung A-Zellen (100) und B-Zellen (200) umfasst und jede A-Zelle (100) nur mit B-Zellen (200) und jede B-Zelle (200) nur mit A-Zellen (100) verbunden ist.Device according to claim 4, 5 and 6, characterized in that the device comprises A cells (100) and B cells (200) and each A cell (100) only with B cells (200) and each B cell (200). Cell (200) is only connected to A cells (100).
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 und 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Vorrichtung eine kombinierte Zelle (5) mit zwölf Toren umfasst, die jeweils von einer A-Zelle (100) und einer B- Zelle (200) gebildet ist, die räumlichen ineinander verschachtelt sind.8. Device according to claim 3, 4 and 6, characterized in that the device comprises a combined cell (5) with twelve gates formed respectively by an A cell (100) and a B cell (200), the spatial ones nested inside each other.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Vorrichtung mehrere kombinierte Zellen (500) umfasst. 9. The device of claim 8, wherein: said device comprises a plurality of combined cells (500).
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